Co się dzieje, gdy woda jest podgrzewana. Właściwości wody w stanie ciekłym. Właściwości różnych stanów skupienia
![Co się dzieje, gdy woda jest podgrzewana. Właściwości wody w stanie ciekłym. Właściwości różnych stanów skupienia](https://i1.wp.com/elementy.ru/images/news/water_tetraedral_cluster_300.jpg)
Japoński fizyk Masakazu Matsumoto przedstawił teorię, która wyjaśnia, dlaczego woda kurczy się po podgrzaniu od 0 do 4°C zamiast się rozszerzać. Według jego modelu woda zawiera mikroformacje - "witryty", które są wypukłymi pustymi w środku wielościanami, na wierzchołkach których znajdują się cząsteczki wody, a za krawędzie służą wiązania wodorowe. Wraz ze wzrostem temperatury konkurują ze sobą dwa zjawiska: wydłużanie się wiązań wodorowych między cząsteczkami wody oraz deformacja witrytów, prowadząca do zmniejszania się ich wnęk. W zakresie temperatur od 0 do 3,98°C to drugie zjawisko dominuje nad efektem wydłużania wiązań wodorowych, co ostatecznie daje obserwowaną kompresję wody. Jak dotąd nie ma eksperymentalnego potwierdzenia modelu Matsumoto – podobnie jak innych teorii wyjaśniających kompresję wody.
W przeciwieństwie do zdecydowanej większości substancji po podgrzaniu woda może zmniejszyć swoją objętość (ryc. 1), to znaczy ma ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej. Nie mówimy jednak o całym zakresie temperatur, w których woda występuje w stanie ciekłym, a jedynie o wąskim obszarze – od 0°C do około 4°C. Kiedy b O W wyższych temperaturach woda, podobnie jak inne substancje, rozszerza się.
Nawiasem mówiąc, woda nie jest jedyną substancją, która ma tendencję do kurczenia się wraz ze wzrostem temperatury (lub rozszerzania się po schłodzeniu). Bizmut, gal, krzem i antymon również mogą „pochwalić się” podobnym zachowaniem. Jednak ze względu na bardziej złożoną budowę wewnętrzną, a także rozpowszechnienie i znaczenie w różnych procesach, to właśnie woda przyciąga uwagę naukowców (patrz Badanie struktury wody trwa, „Pierwiastki”, 09.10.2006).
Jakiś czas temu ogólnie przyjętą teorią, odpowiadającą na pytanie, dlaczego woda zwiększa swoją objętość wraz ze spadkiem temperatury (ryc. 1), był model mieszaniny dwóch składników - „normalnego” i „lodopodobnego”. Teoria ta została po raz pierwszy zaproponowana w XIX wieku przez Harolda Whitinga, a później została rozwinięta i udoskonalona przez wielu naukowców. Stosunkowo niedawno, w ramach odkrytego polimorfizmu wody, zrewidowano teorię Whitinga. Odtąd uważa się, że w przechłodzonej wodzie występują dwa rodzaje lodowopodobnych nanodomen: obszary przypominające lód amorficzny o dużej i małej gęstości. Podgrzanie wody przechłodzonej prowadzi do stopienia tych nanostruktur i pojawienia się dwóch rodzajów wody: o większej i mniejszej gęstości. To sprytna rywalizacja temperaturowa między dwoma „rodzajami” powstałej wody powoduje powstanie niemonotonicznej zależności gęstości od temperatury. Jednak teoria ta nie została jeszcze potwierdzona eksperymentalnie.
Trzeba uważać z tym wyjaśnieniem. To nie przypadek, że wymienione są tu tylko struktury przypominające amorficzny lód. Chodzi o to, że nanoskopowe obszary lodu amorficznego i jego makroskopowych odpowiedników mają różne parametry fizyczne.
Japoński fizyk Masakazu Matsumoto postanowił znaleźć wyjaśnienie omawianego tu efektu „od zera”, odrzucając teorię mieszaniny dwuskładnikowej. Korzystając z symulacji komputerowych, przyjrzał się właściwościom fizycznym wody w szerokim zakresie temperatur, od 200 do 360 K przy zerowym ciśnieniu, aby odkryć w skali molekularnej prawdziwe przyczyny rozszerzania się wody podczas jej stygnięcia. Jego artykuł w gazecie Listy z przeglądu fizycznego nazywa się: Dlaczego woda rozszerza się, gdy się ochładza? Dlaczego woda rozszerza się, gdy się ochładza?
Początkowo autor artykułu zadał pytanie: co wpływa na współczynnik rozszerzalności cieplnej wody? Matsumoto uważa, że wystarczy do tego poznać wpływ tylko trzech czynników: 1) zmiany długości wiązań wodorowych między cząsteczkami wody, 2) indeks topologiczny – liczba wiązań przypadająca na jedną cząsteczkę wody oraz 3) odchylenie kąt między wiązaniami od wartości równowagi (zniekształcenie kątowe).
Zanim porozmawiamy o wynikach uzyskanych przez japońskiego fizyka, poczynimy ważne uwagi i wyjaśnienia dotyczące powyższych trzech czynników. Przede wszystkim zwykły wzór chemiczny wody H 2 O odpowiada tylko jej stanowi pary. W postaci płynnej cząsteczki wody łączą się w grupy (H 2 O) poprzez wiązania wodorowe. X, Gdzie X jest liczbą cząsteczek. Najbardziej korzystna energetycznie kombinacja pięciu cząsteczek wody ( X= 5) z czterema wiązaniami wodorowymi, w których tworzą się wiązania równowaga, tak zwana kąt czworościenny, równe 109,47 stopni (patrz ryc. 2).
Po przeanalizowaniu zależności długości wiązania wodorowego między cząsteczkami wody od temperatury Matsumoto doszedł do oczekiwanego wniosku: wzrost temperatury powoduje liniowe wydłużenie wiązań wodorowych. A to z kolei prowadzi do wzrostu objętości wody, czyli do jej ekspansji. Ten fakt jest sprzeczny z obserwowanymi wynikami, więc dalej rozważał wpływ drugiego czynnika. Jak współczynnik rozszerzalności cieplnej zależy od indeksu topologicznego?
Symulacja komputerowa dała następujący wynik. W niskich temperaturach największą procentowo objętość wody zajmują skupiska wody, które mają 4 wiązania wodorowe w cząsteczce (indeks topologiczny wynosi 4). Wzrost temperatury powoduje spadek liczby asocjacji o indeksie 4, ale jednocześnie zaczyna rosnąć liczba klastrów o indeksach 3 i 5. Po przeprowadzeniu obliczeń numerycznych Matsumoto stwierdził, że lokalna objętość klastrów o topologii wskaźnik 4 praktycznie nie zmienia się wraz ze wzrostem temperatury, a zmiana całkowitej objętości asocjatów o wskaźnikach 3 i 5 w dowolnej temperaturze wzajemnie się kompensuje. W konsekwencji zmiana temperatury nie zmienia całkowitej objętości wody, co oznacza, że indeks topologiczny nie ma żadnego wpływu na ściśliwość wody podczas jej ogrzewania.
Pozostaje wyjaśnić wpływ odkształcenia kątowego wiązań wodorowych. I tu zaczyna się to, co najciekawsze i najważniejsze. Jak wspomniano powyżej, cząsteczki wody mają tendencję do łączenia się w taki sposób, że kąt między wiązaniami wodorowymi jest czworościenny. Jednak wibracje termiczne cząsteczek wody i interakcje z innymi cząsteczkami nie wchodzącymi w skład klastra uniemożliwiają im to, odchylając kąt wiązania wodorowego od wartości równowagi 109,47 stopnia. Aby określić ilościowo ten proces deformacji kątowej, Matsumoto i in., opierając się na swojej wcześniejszej pracy Topologiczne bloki budulcowe sieci wiązań wodorowych w wodzie, opublikowanej w 2007 roku w Journal of Chemical Physics, wysunęli hipotezę o istnieniu trójwymiarowych mikrostruktur w wodzie, przypominających wypukłe puste w środku wielościany. Później w kolejnych publikacjach nazywali takie mikrostruktury Witryny(Rys. 3). W nich wierzchołkami są cząsteczki wody, rolę krawędzi pełnią wiązania wodorowe, a kąt między wiązaniami wodorowymi to kąt między krawędziami w witrycie.
Zgodnie z teorią Matsumoto istnieje ogromna różnorodność form witrytów, które podobnie jak elementy mozaiki stanowią dużą część struktury wody i jednocześnie równomiernie wypełniają całą jej objętość.
Cząsteczki wody mają tendencję do tworzenia w vitritach kątów czworościennych, ponieważ vitrites powinny mieć jak najniższą energię. Jednak ze względu na ruchy termiczne i lokalne interakcje z innymi witrytami niektóre mikrostruktury nie mają geometrii z kątami czworościennymi (lub kątami zbliżonymi do tej wartości). Akceptują takie strukturalnie nierównowagowe konfiguracje (które nie są dla nich najkorzystniejsze energetycznie), które pozwalają całej „rodzinie” witrytów jako całości uzyskać najniższą możliwą wartość energetyczną. Takie vitrites, czyli vitrites, które niejako poświęcają się „wspólnym interesom energetycznym”, nazywane są sfrustrowanymi. Jeśli niesfrustrowane witryty mają maksymalną objętość wnęki w danej temperaturze, to sfrustrowane witryty mają minimalną możliwą objętość.
Symulacje komputerowe przeprowadzone przez Matsumoto wykazały, że średnia objętość wnęk szkliwionych maleje liniowo wraz ze wzrostem temperatury. Jednocześnie sfrustrowane witryty znacznie zmniejszają swoją objętość, podczas gdy objętość wnęki witrytów niesfrustrowanych prawie się nie zmienia.
Tak więc ściskanie wody wraz ze wzrostem temperatury jest spowodowane dwoma konkurencyjnymi efektami - wydłużaniem wiązań wodorowych, co prowadzi do wzrostu objętości wody, oraz zmniejszaniem objętości wnęk sfrustrowanych witrytów. W zakresie temperatur od 0 do 4°C ostatnie zjawisko, jak wykazały obliczenia, przeważa, co ostatecznie prowadzi do obserwowanej kompresji wody wraz ze wzrostem temperatury.
Pozostaje czekać na eksperymentalne potwierdzenie istnienia witrytów i ich zachowania. Ale to, niestety, jest bardzo trudne zadanie.
W systemach podgrzewania wody woda służy do przenoszenia ciepła z generatora do konsumenta.
Najważniejsze właściwości wody to:
pojemność cieplna;
zmiana objętości podczas ogrzewania i chłodzenia;
charakterystyka wrzenia ze zmianami ciśnienia zewnętrznego;
kawitacja.
Rozważ te fizyczne właściwości wody.
Ciepło właściwe
Ważną właściwością każdego płynu chłodzącego jest jego pojemność cieplna. Jeśli wyrazimy to w kategoriach masy i różnicy temperatur chłodziwa, otrzymamy ciepło właściwe. Jest oznaczony literą C i ma wymiar kJ/(kg·K)
Ciepło właściwe to ilość ciepła, którą należy przekazać 1 kg substancji (na przykład wody), aby ogrzać ją o 1 ° C. I odwrotnie, substancja po schłodzeniu wydziela taką samą ilość energii. Średnie ciepło właściwe wody w temperaturze od 0°C do 100°C wynosi:
c = 4,19 kJ/(kg·K) lub c = 1,16 Wh/(kg·K)
Ilość ciepła pochłoniętego lub uwolnionego Q wyrażone w J Lub kJ, zależy od masy M wyrażone w kg, specyficzna pojemność cieplna C i różnica temperatur wyrażona w k.
Zwiększanie i zmniejszanie głośności
Wszystkie naturalne materiały rozszerzają się po podgrzaniu i kurczą po ochłodzeniu. Jedynym wyjątkiem od tej reguły jest woda. Ta wyjątkowa właściwość nazywana jest anomalią wody. Woda ma największą gęstość w temperaturze +4°C, przy której 1 dm3 = 1 l ma masę 1 kg.
Jeśli woda jest podgrzewana lub chłodzona od tego momentu, jej objętość wzrasta, co oznacza spadek gęstości, czyli woda staje się lżejsza. Widać to wyraźnie na przykładzie zbiornika z punktem przelewowym. W zbiorniku znajduje się dokładnie 1000 cm3 wody o temperaturze +4°C. Po podgrzaniu wody pewna ilość wyleje się ze zbiornika do naczynia pomiarowego. Jeśli woda zostanie podgrzana do 90°C, do naczynia pomiarowego wleje się dokładnie 35,95 cm3, co odpowiada 34,7 g. Woda rozszerza się również, gdy ostygnie poniżej +4°C.
Z powodu tej anomalii wody w pobliżu rzek i jezior zimą zamarza górna warstwa. Z tego samego powodu lód unosi się na powierzchni, a wiosenne słońce może go stopić. Nie zdarzyłoby się to, gdyby lód był cięższy od wody i opadł na dno.
![](https://i0.wp.com/agrovodcom.ru/images/info_voda_transport2.gif)
Zbiornik z punktem przelewowym
Jednak taka właściwość do rozszerzenia może być niebezpieczna. Na przykład silniki samochodowe i pompy wodne mogą pęknąć, jeśli woda w nich zamarznie. Aby temu zapobiec, do wody dodaje się dodatki zapobiegające jej zamarzaniu. Glikole są często stosowane w systemach grzewczych; patrz specyfikacja producenta dotycząca stosunku wody do glikolu.
Charakterystyka wrzącej wody
Jeśli woda zostanie podgrzana w otwartym naczyniu, zagotuje się w temperaturze 100°C. Jeśli zmierzysz temperaturę wrzącej wody, okaże się, że utrzymuje się ona na poziomie 100 ° C, dopóki ostatnia kropla nie wyparuje. Zatem stałe zużycie ciepła jest wykorzystywane do całkowitego odparowania wody, tj. Zmiany jej stanu skupienia.
Ta energia jest również nazywana utajonym (utajonym) ciepłem. Jeśli dostarczanie ciepła będzie kontynuowane, temperatura powstającej pary zacznie ponownie rosnąć.
![](https://i2.wp.com/agrovodcom.ru/images/info_voda_transport3.gif)
Opisany proces jest podany przy ciśnieniu powietrza 101,3 kPa na powierzchni wody. Przy każdym innym ciśnieniu powietrza temperatura wrzenia wody zmienia się od 100°C.
Gdybyśmy powtórzyli opisany eksperyment na wysokości 3000 m npm na Zugspitze, najwyższym szczycie Niemiec - stwierdzilibyśmy, że woda wrze tam już w temperaturze 90°C. Powodem takiego zachowania jest spadek ciśnienia atmosferycznego wraz z wysokością.
![](https://i2.wp.com/agrovodcom.ru/images/info_voda_transport4.gif)
Im niższe ciśnienie na powierzchni wody, tym niższa będzie temperatura wrzenia. I odwrotnie, temperatura wrzenia będzie wyższa wraz ze wzrostem ciśnienia na powierzchni wody. Ta właściwość jest wykorzystywana na przykład w szybkowarach.
Wykres przedstawia zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia. Ciśnienie w systemach grzewczych jest celowo zwiększane. Pomaga to zapobiegać tworzeniu się pęcherzyków gazu w krytycznych warunkach pracy, a także zapobiega przedostawaniu się powietrza z zewnątrz do systemu.
Rozszerzanie się wody po podgrzaniu i ochrona przed nadciśnieniem
Systemy podgrzewania ciepłej wody działają przy temperaturach wody do 90°C. Zazwyczaj system jest wypełniony wodą o temperaturze 15°C, która następnie rozszerza się po podgrzaniu. Nie można dopuścić do tego, aby ten wzrost objętości doprowadził do nadciśnienia i przelewania się cieczy.
![](https://i0.wp.com/agrovodcom.ru/images/info_voda_transport5.gif)
Gdy ogrzewanie jest wyłączone latem, objętość wody wraca do pierwotnej wartości. Dlatego, aby zapewnić niezakłóconą ekspansję wody, konieczne jest zainstalowanie odpowiednio dużego zbiornika.
Stare systemy grzewcze miały otwarte zbiorniki wyrównawcze. Zawsze znajdowały się powyżej najwyższego odcinka rurociągu. Gdy temperatura w układzie wzrasta, powodując rozszerzanie się wody, podnosi się również poziom w zbiorniku. Wraz ze spadkiem temperatury odpowiednio się zmniejszał.
Nowoczesne systemy grzewcze wykorzystują membranowe zbiorniki wyrównawcze (MBV). Przy wzroście ciśnienia w instalacji nie wolno dopuścić do wzrostu ciśnienia w rurociągach i innych elementach instalacji powyżej wartości granicznej.
Dlatego warunkiem wstępnym dla każdego systemu grzewczego jest obecność zaworu bezpieczeństwa.
Gdy ciśnienie wzrośnie powyżej normy, zawór bezpieczeństwa musi się otworzyć i spuścić nadmiar wody, której zbiornik wyrównawczy nie może pomieścić. Jednak w starannie zaprojektowanym i konserwowanym systemie taki stan krytyczny nigdy nie powinien wystąpić.
Wszystkie te rozważania nie uwzględniają faktu, że pompa obiegowa dodatkowo zwiększa ciśnienie w układzie. Należy starannie ustalić zależność między maksymalną temperaturą wody, wybraną pompą, wielkością zbiornika wyrównawczego i ustawieniem zaworu bezpieczeństwa. Dowolny dobór elementów systemu – nawet na podstawie ich kosztu – jest w tym przypadku niedopuszczalny.
Przeponowe naczynie wzbiorcze jest dostarczane napełnione azotem. Ciśnienie początkowe w przeponowym naczyniu wyrównawczym należy dostosować w zależności od systemu grzewczego. Rozprężająca się woda z instalacji grzewczej wpływa do zbiornika i ściska komorę gazową przez membranę. Gazy mogą się sprężać, ale ciecze nie.
Ciśnienie
Wykrywanie ciśnienia
Ciśnienie to ciśnienie statyczne cieczy i gazów mierzone w naczyniach, rurociągach w stosunku do ciśnienia atmosferycznego (Pa, mbar, bar).
Ciśnienie statyczne
Ciśnienie statyczne to ciśnienie nieruchomego płynu.
Ciśnienie statyczne = poziom powyżej odpowiedniego punktu pomiarowego + ciśnienie początkowe w zbiorniku wyrównawczym.
ciśnienie dynamiczne
Ciśnienie dynamiczne to ciśnienie poruszającego się przepływu płynu. Ciśnienie tłoczenia pompy Jest to ciśnienie tłoczenia pracującej pompy odśrodkowej.
Spadek ciśnienia
Ciśnienie wytwarzane przez pompę odśrodkową w celu pokonania całkowitego oporu układu. Mierzy się go między wlotem a wylotem pompy odśrodkowej.
Ciśnienie operacyjne
Ciśnienie panujące w systemie podczas pracy pompy. Dopuszczalne ciśnienie robocze Maksymalna wartość ciśnienia roboczego dozwolona z warunków bezpiecznej pracy pompy i instalacji.
kawitacja
kawitacja- jest to tworzenie się pęcherzyków gazu w wyniku pojawienia się lokalnego ciśnienia poniżej ciśnienia parowania pompowanej cieczy na wlocie do wirnika. Prowadzi to do spadku wydajności (wysokości podnoszenia) i sprawności oraz powoduje hałas i zniszczenie materiału wewnętrznych części pompy. Z powodu zapadania się pęcherzyków powietrza w obszarach o wyższym ciśnieniu (np. na wylocie z wirnika) mikroskopijne eksplozje powodują skoki ciśnienia, które mogą uszkodzić lub zniszczyć układ hydrauliczny. Pierwszą oznaką tego jest hałas w wirniku i jego erozja.
Ważnym parametrem pompy odśrodkowej jest NPSH (wysokość słupa cieczy nad króćcem ssącym pompy). Określa minimalne ciśnienie wlotowe pompy wymagane przez typ pompy do pracy bez kawitacji, tj. dodatkowe ciśnienie wymagane do zapobiegania tworzeniu się pęcherzyków. Na wartość NPSH ma wpływ typ wirnika i prędkość pompy. Czynnikami zewnętrznymi wpływającymi na ten parametr są temperatura cieczy, ciśnienie atmosferyczne.
Zapobieganie kawitacji
Aby uniknąć kawitacji, ciecz musi dostać się do wlotu pompy odśrodkowej przy określonej minimalnej wysokości ssania, która zależy od temperatury i ciśnienia atmosferycznego.
Inne sposoby zapobiegania kawitacji to:
Zwiększenie ciśnienia statycznego
Obniżenie temperatury cieczy (zmniejszenie ciśnienia parowania PD)
Wybór pompy o niższej stałej wysokości podnoszenia hydrostatycznego (minimalna wysokość ssania, NPSH)
Specjaliści firmy „Agrovodkom” chętnie pomogą w podjęciu decyzji o najlepszym wyborze pompy. Skontaktuj się z nami!
Aleksander
2013-10-22 09:38:26
[Odpowiedź] [Odpowiedz z cytatem][Anuluj odpowiedź]
|
Temat: Przyroda nieożywiona
Lekcja: Właściwości wody w stanie ciekłym
W czystej postaci woda nie ma smaku, zapachu i koloru, ale prawie nigdy tak się nie dzieje, ponieważ aktywnie rozpuszcza większość substancji w sobie i łączy się z ich cząsteczkami. Ponadto woda może przenikać do różnych ciał (naukowcy znaleźli wodę nawet w kamieniach).
Chlor ma słaby punkt: może reagować tworząc chloraminy i chlorowane węglowodory, które są niebezpiecznymi czynnikami rakotwórczymi. Produktem ubocznym tej reakcji jest chloryn. Badania toksykologiczne wykazały, że produkt uboczny dezynfekcji dwutlenkiem chloru, chloryn, nie stanowi istotnego zagrożenia dla zdrowia ludzi. Jeśli masz jakiekolwiek inne pytania, skontaktuj się z nami.
Nasze dzieci inaczej patrzą na świat. Nic nie umknie ich uwadze, a ich ciekawość nie zna granic. Ciągle zadają pytania i chcą na to pytanie odpowiedzieć. Ale problemy z dziećmi często nam przeszkadzają. Podzielimy się z Tobą najczęściej zadawanymi pytaniami i odpowiedziami, aby przygotować się na następny raz.
Jeśli napełnisz szklankę wodą z kranu, będzie wyglądać na czystą. Ale tak naprawdę jest to roztwór wielu substancji, wśród których są gazy (tlen, argon, azot, dwutlenek węgla), różne zanieczyszczenia zawarte w powietrzu, rozpuszczone sole z gleby, żelazo z wodociągów, najmniejszy nierozpuszczony pył cząsteczki itp.
Kiedy woda jest podgrzewana, jej cząsteczki zaczynają się poruszać. Wraz ze wzrostem tego ruchu zwiększa się odległość między cząsteczkami. W końcu przychodzi czas, kiedy relacje między cząsteczkami stają się zbyt słabe. Cząsteczki ulegają rozproszeniu i stają się parą wodną. Ten proces nazywa się „parowaniem”.
Co utrzymuje samoloty w powietrzu? Co utrzymuje ogromne powietrze w powietrzu? Siła pracy nazywa się tutaj „podniesieniem”. Siła nośna występuje, gdy powietrze przepływa jednocześnie nad i pod płaszczyzną skrzydła. Ponieważ powietrze porusza się szybciej niż końcówka skrzydła, wywiera mniejszy nacisk. Jednocześnie gęste powietrze pod skrzydłami wypycha samolot w górę. Im wyższa prędkość samolotu, tym wyższa siła nośna.
Jeśli naniesiesz krople wody z kranu za pomocą pipety na czystą szklankę i pozwolisz jej odparować, pozostaną ledwo zauważalne plamy.
Wody rzek i strumieni, większość jezior zawierają różne zanieczyszczenia, takie jak rozpuszczone sole. Ale jest ich mało, bo ta woda jest świeża.
Oglądany osobno każdy płatek śniegu jest bezbarwny i przezroczysty. Odpowiedź brzmi: gdy płatki śniegu tworzą dużą masę, odbijają światło słoneczne. Odbite światło jest białe, ponieważ słońce jest również białe. Dlaczego ludzkie włosy nie mogą być naturalne?
Ludzkie włosy zawierają pigmenty, które sprawiają, że są czarne, brązowe, blond lub rude. Nasze włosy zawierają również małe pęcherzyki powietrza. Kombinacje pigmentów i ilość pęcherzyków powietrza we włosach określają kolor. Pigmenty, które znajdują się w naszych włosach, po połączeniu nie mogą dać koloru niebieskiego lub zielonego.
Woda płynie po ziemi i pod ziemią, wypełnia strumienie, jeziora, rzeki, morza i oceany, tworzy podziemne pałace.
Przedzierając się przez łatwo rozpuszczalne substancje, woda wnika głęboko pod ziemię, zabierając je ze sobą, a przez pęknięcia i szczeliny w skałach, tworząc podziemne jaskinie, kapie z ich łuku, tworząc dziwaczne rzeźby. Miliardy kropelek wody parują przez setki lat, a rozpuszczone w wodzie substancje (sole, wapienie) osadzają się na łukach jaskini, tworząc kamienne sople lodu, które nazywane są stalaktytami.
Dlaczego astronauci podróżują w kosmosie? Wbrew temu, co myśli wielu ludzi, astronauci na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nie są wolni od grawitacji. Surowość Ziemi wpływa na wszystkie obiekty na orbicie. Ale duża wysokość, na której znajduje się stacja, sprawia, że jest to upadek na zawsze. To tak, jakby orbitujący obiekt nadal nie dotykał powierzchni naszej planety i zamiast tego leciał nad Ziemią. Wyobraź sobie windę spadającą z najwyższego piętra wieżowca. Osoba w tej kabinie doświadcza chwilowej nieważkości.
Astronauci na orbicie doświadczają tego samego, ale przez cały czas. Gdy promienie słoneczne wchodzą w atmosferę planety, są rozpraszane i łamane. Początkowo białe światło słoneczne dzieli się na 7 kolorów tęczy. Ponieważ niebieski rozprasza bardziej niż inne kolory, dominuje. Ale niebo nigdy nie jest całkowicie niebieskie ze względu na obecność innych kolorów w widmie.
Podobne formacje na dnie jaskini nazywane są stalagmitami.
A kiedy stalaktyt i stalagmit rosną razem, tworząc kamienną kolumnę, nazywa się to stalagnatem.
Mgła składa się z tysięcy maleńkich kropelek wody lub kryształków lodu, które unoszą się w powietrzu tuż nad ziemią. Powstaje, gdy powietrze jest zimne, a ziemia ciepła lub odwrotnie. W obu przypadkach pojawia się gęsta chmura pary wodnej lub cząstek lodu, która rozprzestrzenia się po powierzchni.
Woda powstaje w wyniku reakcji chemicznej, w której wodór jest utleniany przez tlen i uwalniane jest ciepło. Ponieważ już się wycofał, woda nie może się naturalnie palić. Dlaczego zegary obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara? Przed wykonaniem zegarków mechanicznych ludzie używają zegarków słonecznych, aby zorientować się, ile czasu to zajmuje. Zegar słoneczny pojawia się po raz pierwszy na półkuli północnej, gdzie ruch słońca powoduje przesuwanie się cieni z lewej strony na prawą. Później w historii zegarków mechanicznych dziedziczą ten mechanizm po słońcu.
Obserwując dryf lodu na rzece, widzimy wodę w stanie stałym (lód i śnieg), ciekłym (przepływającym pod nią) i gazowym (najmniejsze cząsteczki wody unoszące się w powietrze, które nazywane są również parą wodną).
Okrągły kształt idealnie nadaje się do toczenia po płaskich powierzchniach. Ponieważ wszystkie punkty na kole są w równej odległości od ich osi, oś pozostaje na tej samej wysokości nad ziemią, a pojazd nie porusza się w górę iw dół podczas jazdy po drodze. Oprócz zapewnienia, że nasza bielizna zapewnia, chroni również nasze części intymne przed infekcjami i urazami. Higiena to główny powód, dla którego nosimy bieliznę. W przeszłości ubrania były bardzo drogie i ludzie często nie mogli ich zmienić.
Ta próba trwa trochę dłużej, więc zaplanuj ją na dwa spotkania i stopniowo „wyhoduj” dekoracyjne, jadalne i niejadalne kryształy. Możesz stworzyć kryształowy wyświetlacz, kryształy, aby się nazwać, tworzyć kryształowe obrazy, czekamy na twoje pomysły i zdjęcia.
Woda może znajdować się we wszystkich trzech stanach jednocześnie: w powietrzu zawsze jest para wodna i chmury, które składają się z kropelek wody i kryształków lodu.
Para wodna jest niewidoczna, ale można ją łatwo wykryć, jeśli zostawisz schłodzoną szklankę wody w lodówce na godzinę w ciepłym pomieszczeniu, na ścianach którego natychmiast pojawią się kropelki wody. W kontakcie z zimnymi ściankami szkła para wodna zawarta w powietrzu zamienia się w kropelki wody i osadza się na powierzchni szkła.
Kryształy jadalne i niejadalne Możesz otworzyć i pobrać cały tekst lub. Temat: Krystalizacja, roztwory nasycone. Ciała stałe dzielą się na amorficzne i krystaliczne. Układ cząstek substancji amorficznych jest przypadkowy, a ich struktura przypomina ciecze. Cząsteczki substancji krystalicznych znajdują się w sieci krystalicznej. Podstawą tej siatki jest komórka elementarna, która jest ciągle powtarzana.
Krystalizacja lub krystalizacja to zjawisko, w którym stałe regularne kryształy są tworzone przez ciecz ze względu na środowisko. Kryształy mogą tworzyć się z roztworów, stopów lub oparów, gdzie zmiana ciśnienia, temperatury lub stężenia substancji może prowadzić do krystalizacji. Aby proces przebiegał płynnie, wymagany jest co najmniej jeden z następujących warunków: Obniżenie temperatury cieczy wyjściowej. Wzrost stężenia krystalizatora w wyniku odparowania rozpuszczalnika. Zakwaszenie materiału wyjściowego za pomocą krystalizatora.
Ryż. 11. Kondensacja na ściankach zimnej szklanki ()
Z tego samego powodu w zimnych porach roku wewnętrzna strona szyby zaparowuje. Zimne powietrze nie może zawierać tyle pary wodnej, co ciepłe, więc część z niej skrapla się - zamienia się w kropelki wody.
Krystalizacja z roztworu zachodzi, gdy substancja krystalizująca rozpuszcza się aż do nasycenia roztworu w danej temperaturze. Po podgrzaniu roztwór ponownie staje się nienasycony, ale po ochłodzeniu lub odparowaniu rozpuszczalnika roztwór staje się przesycony i następuje krystalizacja. Naturalna krystalizacja następuje po utworzeniu zarodków jądra zarodkowania. Krystalizację można też sztucznie wywołać poprzez tzw. inokulację – poprzez wprowadzenie do roztworu ciała obcego, a metodę tę stosuje się np. przy produkcji cukru.
Biały ślad za samolotem lecącym po niebie to także efekt skraplania się wody.
Jeśli przyłożysz lustro do ust i wydychasz, na jego powierzchni pozostaną maleńkie kropelki wody, co dowodzi, że podczas oddychania człowiek wdycha parę wodną z powietrzem.
Nazwa pochodzi od arabskiego buraka – białego. Dalsze zastosowanie w przemyśle chemicznym, spożywczym, szklarskim, papierniczym, rolnictwie jako nawóz oraz do spawania kuźniczego. Do tych celów jest również przygotowywany sztucznie. Narzędzia: boraks, czajnik, woda, przezroczyste szkło, spirala lub słomka, nić lub drut, wycior do fajki, barwnik spożywczy, łyżka.
Konstrukcja: Formujemy dowolny kształt z wycioru do rur. Ten kształt przyczepiamy do nitki lub drutu. Zawieszamy patyk na łyżce lub słomce. Wlewamy wodę do czajnika i wlewamy do szklanki. Mieszać boraks w wodzie do uzyskania nasyconego roztworu. Jeśli w pojemniku pozostają pozostałości boraksu, rozpuść roztwór w czystej szklance. Za pomocą szpikulca zawieś nasz włochaty druciany korpus w szklance tak, aby był całkowicie zanurzony w przygotowanym przez nas nasyconym roztworze boraksu i aby w żadnym momencie nie dotykał ścianek ani dna szklanki.
Po podgrzaniu woda „rozszerza się”. Można to udowodnić prostym doświadczeniem: szklaną rurkę zanurzono w kolbie z wodą i zmierzono jej poziom; następnie kolbę opuszczono do naczynia z ciepłą wodą i po podgrzaniu wody ponownie zmierzono poziom w rurce, który wyraźnie wzrósł, ponieważ woda zwiększa objętość po podgrzaniu.
Cały system pozostawia się na noc w roztworze, aby boraks mógł się krystalizować. Opis: Puszysty drut to miejsce, w którym bardzo dobrze uformowane są jądra krystalizacji, do których stopniowo upakowane są kryształy boraksu i kryształ rośnie. Krystalizację przyspiesza się za pomocą gorącej wody w celu utworzenia roztworu nasyconego oraz chłodzenia i odparowania w celu uzyskania roztworu nadmiarowego.
Czas: przygotowanie eksperymentu i przygotowanie wszystkich pomocy 5 minut. Test eksperymentalny5 min. Wzrost kryształów 24 godziny. Oznaczenie kryształów. Szacowane 10 minut. Testuj 5 minut. Za 25 minut i 24 godziny. Możliwe jest dalsze omówienie eksperymentu i jego modyfikacji.
Ryż. 14. Kolba z rurką, cyfrą 1 i kreską wskazuje początkowy poziom wody
Ryż. 15. Kolba z rurką, cyfrą 2 i kreską wskazuje poziom wody po podgrzaniu
Wyraża, jak zmienia się energia wewnętrzna, tj. suma energii ruchu i położenia cząstek ciała, gdy ciało to ochładza się lub zwiększa swoją temperaturę. Ciepło jest równe energii, którą ciepłe ciało dostarcza podczas wymiany ciepła. Wymiana ciepła odbywa się poprzez promieniowanie.
We wszystkich stanach cząsteczki są w ciągłym nieuporządkowanym ruchu. Każda cząsteczka ma swoje własne miejsce, które wibruje wokół niej. Kiedy cząsteczki są podgrzewane, wibrują szybciej. Kiedy temperatura wystarczająco wzrośnie, cząsteczki wyrwą się z ustalonej pozycji i zaczną się swobodnie poruszać. W tym momencie ciało stałe zacznie zamieniać się w ciecz. Nazywamy to topnieniem, które ma miejsce, i mówimy, że tkanina się topi.
Gdy woda ochładza się, „spręża się”. Można to wykazać podobnym eksperymentem: w tym przypadku kolbę z rurką opuszczono do naczynia z lodem, po schłodzeniu poziom wody w rurce spadł z początkowego znaku, ponieważ woda zmniejszyła swoją objętość.
Zestalanie Kiedy ciecz jest schładzana, w określonej temperaturze zaczyna krzepnąć i zamienia się w tkankę. Cząsteczki, które mogą się swobodnie poruszać, poruszają się wolniej wraz ze spadkiem temperatury, aż zbiegną się i osiądą w ustalonej pozycji, wokół której następnie wibrują. Płyn staje się stały. Nazywamy to zestaleniem i mówimy, że substancja zestali się.
Wrzenie występuje, gdy ciecz jest podgrzewana do temperatury wrzenia. Temperatura wrzenia jest różna dla różnych cieczy. Temperatura wrzenia zależy również od ciśnienia nad cieczą. Wpływa również na gotowanie w naczyniach o znacznej wysokości. Ciecz przechodzi w gaz tylko z powierzchni. Parująca ciecz usuwa ciepło z otoczenia. Parowanie zachodzi w dowolnej temperaturze cieczy.
Ryż. 16. Kolba z rurką, cyfrą 3 i kreską wskazuje poziom wody podczas chłodzenia
Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki wody, cząsteczki, poruszają się szybciej po podgrzaniu, zderzają się ze sobą, odpychają się od ścian naczynia, zwiększa się odległość między cząsteczkami, a zatem ciecz zajmuje większą objętość. Gdy woda jest schładzana, ruch jej cząstek spowalnia, odległość między cząsteczkami maleje, a ciecz wymaga mniejszej objętości.
Sprawy rządowe Plany lekcji, zajęcia studenckie i organizatorzy grafiki
Im wyższa temperatura, tym szybsze parowanie, wymiary powierzchni do powierzchni, szybsze parowanie, właściwości cieczy, przepływ gazu nad cieczą, ciśnienie pary gazu nad cieczą. Materię można opisać jako coś, co zajmuje przestrzeń w naszym wszechświecie. Rodzaj cząstek i sposób ich ułożenia określają, jak będzie wyglądać pytanie i co może zrobić. Dobre zrozumienie stanu materii jest kluczem do opisu otaczającego nas wszechświata.
Właściwości różnych stanów skupienia
Rodzaj przypisania indywidualnego lub grupowego.Ryż. 17. Cząsteczki wody w normalnej temperaturze
Ryż. 18. Cząsteczki wody po podgrzaniu
Ryż. 19. Cząsteczki wody podczas chłodzenia
Takie właściwości posiada nie tylko woda, ale także inne płyny (alkohol, rtęć, benzyna, nafta).
Znajomość tej właściwości cieczy doprowadziła do wynalezienia termometru (termometru), który wykorzystuje alkohol lub rtęć.
Podczas zamrażania woda rozszerza się. Można to udowodnić, jeśli naczynie wypełnione po brzegi wodą luźno przykryjemy pokrywką i włożymy do zamrażarki, po chwili zobaczymy, że powstały lód uniesie wieczko, wychodząc poza pojemnik.
Ta właściwość jest brana pod uwagę przy układaniu rur wodociągowych, które należy zaizolować, aby podczas zamrażania lód powstały z wody nie pękał rur.
W naturze zamarzająca woda może niszczyć góry: jeśli woda gromadzi się w szczelinach skał jesienią, zamarza zimą, a pod naporem lodu, który zajmuje większą objętość niż woda, z której powstał, skały pękają i zawalić się.
Zamarzająca w szczelinach jezdni woda prowadzi do niszczenia nawierzchni asfaltowej.
Długie grzbiety przypominające fałdy na pniach drzew to rany powstałe w wyniku pęknięć drewna pod naciskiem zamarzających w nim soków drzewnych. Dlatego w mroźne zimy można usłyszeć trzask drzew w parku lub w lesie.
- Wachruszew A.A., Daniłow D.D. Świat wokół 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Świat wokół 3. M .: Wydawnictwo „Fiodorow”.
- Pleshakov A.A. Otaczający świat 3. M .: Oświecenie.
- Festiwal Idei Pedagogicznych ().
- Nauka i edukacja ().
- Klasa publiczna ().
- Ułóż krótki test (4 pytania z trzema możliwymi odpowiedziami) na temat „Woda wokół nas”.
- Przeprowadź mały eksperyment: postaw szklankę bardzo zimnej wody na stole w ciepłym pomieszczeniu. Opisz, co się stanie, wyjaśnij dlaczego.
- *Narysuj ruch cząsteczek wody w stanie ogrzanym, normalnym i ochłodzonym. Jeśli to konieczne, napisz podpisy na swoim rysunku.
Woda jest najpowszechniejszą substancją na planecie i ma cechę, która odróżnia ją od innych cieczy: po podgrzaniu od temperatury topnienia do 40 ° C jej ściśliwość wzrasta, a następnie maleje.
Wyjątkowe właściwości wody
Na Ziemi nie ma substancji ważniejszej dla człowieka niż woda. Oceany i morza zajmują ¾ powierzchni planety, kolejne 20% powierzchni lądów pokrywa śnieg i lód - stała woda. Gdyby nie woda, która bezpośrednio wpływa na klimat, Ziemia zamieniłaby się w martwy kamień lecący w kosmosie.
W ciągu dnia ludzkość zużywa co najmniej 1 miliard ton wody, podczas gdy całkowita ilość zasobów na planecie pozostaje taka sama. Miliony lat temu na powierzchni Ziemi było tyle samo wody, co teraz.
Żywe organizmy zamieszkujące planetę nauczyły się przystosowywać do niesprzyjających warunków. Ale żadne stworzenie nie może istnieć bez wody - ta substancja jest zawarta we wszystkich zwierzętach i roślinach. Ciało człowieka składa się w ¾ z wody.
Zawartość wody w organizmie człowiekaGłówne właściwości wody:
Nie ma koloru;
przezroczysty;
Nie ma zapachu i smaku;
Potrafi przebywać w trzech stanach skupienia;
Potrafi przechodzić z jednego stanu skupienia do drugiego;
Eksperyment demonstrujący właściwości wody po podgrzaniu i ochłodzeniu
Do przeprowadzenia doświadczenia w domu potrzebne będą dwa pojemniki i dwie kolby laboratoryjne z rurką wylotową gazu, a także substancje: lód, gorąca woda i woda o temperaturze pokojowej.
Wlej wodę o temperaturze pokojowej do dwóch identycznych kolb, zaznacz poziom wody znakiem i opuść ją do dwóch pojemników - z gorącą wodą i lodem. Jaki jest wynik eksperymentu? Woda w kolbie, zanurzona w gorącej wodzie, unosi się powyżej znaku. Woda w kolbie umieszczonej w lodzie spada poniżej kreski.
Wniosek: W wyniku ogrzewania woda rozszerza się, a gdy się ochładza, kurczy się.
Doświadczenie demonstrujące właściwości wody podczas przechowywania w różnych warunkach
Eksperyment przeprowadza się wieczorem w domu. Napełniamy trzy identyczne pojemniki (odpowiednie są szklanki) 100 ml wody. Jedną szklankę kładziemy na parapecie, drugą na stole, trzecią w pobliżu baterii.
Rano porównujemy wyniki: w szklance pozostawionej na parapecie woda wyparowała o 1/3, w szklance na stole woda wyparowała o połowę, szklanka obok baterii okazała się pusta i sucha: wyparowała z niego woda. Wniosek: parowanie wody zależy od temperatury otoczenia, a im jest ona wyższa, tym szybciej woda odparowuje.
Zamienianie pary wodnej w wodę
Do eksperymentu przygotowujemy specjalny sprzęt:
lampa alkoholowa;
metalowy talerz;
Kolba z rurką wylotową gazu.
Wlej wodę do kolby i podgrzewaj na lampie alkoholowej, aż się zagotuje. Trzymamy zimną metalową płytkę w pobliżu rury wylotowej gazu - osadza się na niej para w postaci kropelek wody. Przekształcenie wody w stanie gazowym w ciecz nazywa się kondensacją. Wniosek: przy silnym podgrzaniu woda zamienia się w parę i powraca do stanu ciekłego w kontakcie z zimną powierzchnią.
Kondensacja na powierzchni szkła
Podgrzewanie wody do wrzenia
Woda osiągając temperaturę wrzenia ma charakterystyczne cechy: ciecz wrze, w środku pojawiają się bąbelki, unosi się gęsta para. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki wody po podgrzaniu otrzymują dodatkową energię ze źródła ciepła i poruszają się szybciej. Przy dłuższym ogrzewaniu ciecz osiąga temperaturę wrzenia: na ściankach naczynia pojawiają się bąbelki.
podgrzana woda
Jeśli gotowanie nie zostanie zatrzymane, proces będzie kontynuowany, aż cała woda zamieni się w gaz. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta ciśnienie, cząsteczki wody poruszają się szybciej i pokonują siły międzycząsteczkowe, które je wiążą. Ciśnienie atmosferyczne przeciwstawia się prężności pary. Woda wrze, gdy prężność pary przekracza lub osiąga ciśnienie zewnętrzne.
Jedna z najpowszechniejszych substancji na Ziemi: woda. Potrzebujemy go, jak powietrza, ale czasami w ogóle go nie zauważamy. Ona po prostu jest. Ale okazuje się
Jedna z najpowszechniejszych substancji na Ziemi: woda. Potrzebujemy go, jak powietrza, ale czasami w ogóle go nie zauważamy. Ona po prostu jest. Okazuje się jednak, że zwykła woda może zmieniać swoją objętość i ważyć mniej lub więcej. Gdy woda paruje, nagrzewa się i stygnie, dzieją się naprawdę niesamowite rzeczy, o których dowiemy się dzisiaj.
Muriel Mandell w swojej zabawnej książce „Eksperymenty fizyczne dla dzieci” przedstawia najciekawsze przemyślenia na temat właściwości wody, na podstawie których nie tylko młodzi fizycy mogą dowiedzieć się wielu nowych rzeczy, ale także dorośli odświeżą swoją wiedzę, którą dawno nie musiały aplikować, więc okazały się nieco zapomniane.Dzisiaj porozmawiamy o objętości i wadze wody. Okazuje się, że ta sama objętość wody nie zawsze waży tyle samo. A jeśli wlejesz wodę do szklanki i nie wyleje się ona poza krawędź, to nie znaczy, że zmieści się w niej pod żadnym pozorem.
1. Woda rozszerza się po podgrzaniu
Umieść słoik wypełniony wodą w rondlu wypełnionym pięciocentymetrową wrzącą wodą. wodą i gotować na małym ogniu. Woda ze słoika zacznie się przelewać. Dzieje się tak dlatego, że po podgrzaniu woda, podobnie jak inne płyny, zaczyna zajmować więcej miejsca. Cząsteczki odpychają się z większą intensywnością, co prowadzi do zwiększenia objętości wody.2. Woda kurczy się podczas stygnięcia
Pozwól wodzie w słoiku ostygnąć do temperatury pokojowej lub dodaj nową wodę i wstaw do lodówki. Po chwili przekonasz się, że wcześniej pełny słoik nie jest już pełny. Po schłodzeniu do temperatury 3,89 stopni Celsjusza woda zmniejsza swoją objętość wraz ze spadkiem temperatury. Powodem tego było zmniejszenie prędkości poruszania się cząsteczek i ich zbieżności ze sobą pod wpływem chłodzenia.Wydawałoby się, że wszystko jest bardzo proste: im zimniejsza woda, tym mniej zajmuje objętości, ale ...
3. ... objętość wody ponownie wzrasta, gdy zamarza
Napełnij słoik wodą po brzegi i przykryj kawałkiem tektury. Włóż do zamrażarki i poczekaj, aż zamarznie. Przekonasz się, że kartonowa „pokrywa” została wypchnięta. W zakresie temperatur od 3,89 do 0 stopni Celsjusza, czyli w drodze do punktu zamarzania, woda ponownie zaczyna się rozszerzać. Jest jedną z nielicznych znanych substancji o tej właściwości.Jeśli użyjesz ciasnej pokrywki, lód po prostu rozbije słoik. Czy kiedykolwiek słyszałeś, że nawet rury wodociągowe mogą pękać pod wpływem lodu?4. Lód jest lżejszy od wody
Umieść kilka kostek lodu w szklance wody. Lód będzie pływał po powierzchni. Woda rozszerza się, gdy zamarza. W rezultacie lód jest lżejszy od wody: jego objętość wynosi około 91% odpowiedniej objętości wody.Ta właściwość wody występuje w naturze nie bez powodu. Ma bardzo konkretny cel. Mówią, że zimą rzeki zamarzają. Ale w rzeczywistości nie jest to do końca prawdą. Zwykle zamarza tylko niewielka górna warstwa. Ta pokrywa lodowa nie tonie, ponieważ jest lżejsza niż woda w stanie ciekłym. Spowalnia zamarzanie wody w głębi rzeki i służy jako rodzaj koca, chroniącego ryby i inne zwierzęta rzeczne i jeziorne przed silnymi zimowymi mrozami. Studiując fizykę, zaczynasz rozumieć, że wiele rzeczy w przyrodzie jest ułożonych celowo.
5. Woda z kranu zawiera minerały
Wlej 5 łyżek zwykłej wody z kranu do małej szklanej miski. Gdy woda wyparuje, na misce pozostanie biała obwódka. Ta krawędź jest utworzona przez minerały, które zostały rozpuszczone w wodzie, gdy przechodziła przez warstwy gleby.Zajrzyj do wnętrza czajnika, a zobaczysz tam złoża minerałów. Ta sama płytka powstaje na otworze do odprowadzania wody w wannie.Spróbuj odparować wodę deszczową, aby sprawdzić, czy zawiera minerały.Poszerzać się czy kurczyć? Odpowiedź jest następująca: wraz z nadejściem zimy woda zaczyna się rozszerzać. Dlaczego to się dzieje? Ta właściwość odróżnia wodę od listy wszystkich innych cieczy i gazów, które wręcz przeciwnie, są sprężane po schłodzeniu. Jaki jest powód takiego zachowania tej niezwykłej cieczy?
Fizyka klasa 3: Czy woda rozszerza się lub kurczy, gdy zamarza?
Większość substancji i materiałów rozszerza się po podgrzaniu i kurczy po ochłodzeniu. Gazy wykazują ten efekt bardziej zauważalnie, ale różne ciecze i metale stałe wykazują te same właściwości.
Jednym z najbardziej uderzających przykładów rozszerzania się i kurczenia gazu jest powietrze w balonie. Kiedy wyjmiemy balon na zewnątrz przy minusowej pogodzie, balon natychmiast się zmniejsza. Jeśli wniesiemy piłkę do ogrzewanego pomieszczenia, to natychmiast wzrośnie. Ale jeśli włożymy balon do wanny, pęknie.
Cząsteczki wody wymagają więcej miejsca
Powodem, dla którego zachodzą te procesy rozszerzania się i kurczenia różnych substancji, są cząsteczki. Te, które otrzymują więcej energii (dzieje się to w ciepłym pomieszczeniu) poruszają się znacznie szybciej niż cząsteczki w zimnym pomieszczeniu. Cząsteczki, które mają więcej energii, zderzają się znacznie aktywniej i częściej, potrzebują więcej przestrzeni do poruszania się. Aby powstrzymać ciśnienie wywierane przez cząsteczki, materiał zaczyna się powiększać. I dzieje się to dość szybko. A więc, czy woda rozszerza się, czy kurczy, gdy zamarza? Dlaczego to się dzieje?
Woda nie przestrzega tych zasad. Jeśli zaczniemy schładzać wodę do czterech stopni Celsjusza, to zmniejszy się jej objętość. Ale jeśli temperatura nadal spada, woda nagle zaczyna się rozszerzać! Istnieje taka właściwość, jak anomalia w gęstości wody. Ta właściwość występuje w temperaturze czterech stopni Celsjusza.
Teraz, gdy ustaliliśmy, czy woda rozszerza się, czy kurczy, gdy zamarza, dowiedzmy się, jak powstaje ta anomalia. Przyczyna leży w cząsteczkach, z których się składa. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego tlenu. Każdy zna formułę wody od podstawówki. Atomy w tej cząsteczce przyciągają elektrony na różne sposoby. Wodór ma dodatni środek ciężkości, podczas gdy tlen, przeciwnie, ma ujemny. Kiedy cząsteczki wody zderzają się ze sobą, atomy wodoru jednej cząsteczki są przenoszone na atom tlenu zupełnie innej cząsteczki. Zjawisko to nazywane jest wiązaniem wodorowym.
Woda potrzebuje więcej miejsca, gdy się ochładza
W momencie, gdy rozpoczyna się proces tworzenia wiązań wodorowych, w wodzie zaczynają pojawiać się miejsca, w których molekuły są ułożone w takim samym porządku jak w krysztale lodu. Te spacje nazywane są klastrami. Nie są trwałe, jak w stałym krysztale wody. Gdy temperatura wzrasta, ulegają zniszczeniu i zmieniają położenie.
Podczas tego procesu liczba skupisk w cieczy zaczyna gwałtownie wzrastać. Wymagają większej przestrzeni do rozprzestrzeniania się, dlatego woda zwiększa swoją objętość po osiągnięciu swojej nienormalnej gęstości.
Kiedy termometr spada poniżej zera, gromady zaczynają zamieniać się w maleńkie kryształki lodu. Zaczynają iść w górę. W wyniku tego wszystkiego woda zamienia się w lód. To bardzo niezwykła zdolność wody. Zjawisko to jest konieczne dla bardzo dużej liczby procesów zachodzących w przyrodzie. Wszyscy wiemy, a jeśli nie wiemy, to pamiętamy, że gęstość lodu jest nieco mniejsza niż gęstość chłodnej lub zimnej wody. Dzięki temu lód unosi się na powierzchni wody. Wszystkie zbiorniki zaczynają zamarzać od góry do dołu, co pozwala wodnym mieszkańcom istnieć na dnie i nie zamarzać. Teraz wiemy szczegółowo, czy woda rozszerza się, czy kurczy, gdy zamarza.
Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Jeśli weźmiemy dwie identyczne szklanki i do jednej wlejemy gorącą wodę, a do drugiej taką samą ilość zimnej wody, zauważymy, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. To nie jest logiczne, prawda? Gorąca woda musi ostygnąć, zanim zacznie zamarzać, ale zimna woda nie. Jak wytłumaczyć ten fakt? Naukowcy do dziś nie potrafią wyjaśnić tej zagadki. Zjawisko to nazywane jest efektem Mpemby. Została odkryta w 1963 roku przez naukowca z Tanzanii w niezwykłych okolicznościach. Student chciał zrobić sobie lody i zauważył, że gorąca woda szybciej zamarza. Podzielił się tym ze swoim nauczycielem fizyki, który z początku mu nie wierzył.