قوة تمدد الماء عندما يتجمد. الموسوعة الكبرى للنفط والغاز

الماء هو المادة الأكثر شيوعًا والأكثر غموضًا على كوكبنا. انها تمتلك خصائص بسيطةمعروف منذ القدم. وبفضل هذه الميزات يطلق عليه "أساس الحياة". فما هو "روعة" هذه الخصائص؟ دعونا معرفة ذلك.

سيولة.الخاصية الرئيسية لجميع السوائل، بما في ذلك الماء. تحت تأثير القوى الخارجية، فهي قادرة على اتخاذ شكل أي سفينة. وهذا يضمن توافرها في كل مكان. تتدفق المياه في القنوات وتشكل البحيرات والأنهار والبحار. والأهم من ذلك، أنه يمكنك دائمًا اصطحابه معك في أي عبوة مناسبة - من زجاجة صغيرة إلى خزان ضخم.

خصائص درجة الحرارة.الماء الدافئ أخف من الماء البارد ويرتفع دائما. لذلك يمكننا طهي الحساء عن طريق تسخين المقلاة من الأسفل فقط، وليس من جميع الجوانب دفعة واحدة. وبسبب هذه الظاهرة، التي تسمى "الحمل الحراري"، يعيش معظم سكان المسطحات المائية الأرضية بالقرب من السطح.

لكن أهم الخواص الحرارية للمياه هي قدرتها الحرارية العالية - 10 مرات أكبر من قدرة الحديد. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الطاقة لتسخينه، ولكن يتم إطلاق نفس الكمية من الطاقة عندما يبرد. أنظمة التدفئة في منازلنا تقوم على هذا المبدأ – وأنظمة التبريد المستخدمة في الصناعة.

بالإضافة إلى ذلك، تلعب البحار والمحيطات دور منظم درجة حرارة الأرض، حيث تعمل على تخفيف التقلبات الموسمية في درجات الحرارة، وامتصاص الحرارة في الصيف وإطلاقها في الشتاء. ومع مزيج من السعة الحرارية والحمل الحراري، يمكنك حتى تسخين قارة بأكملها! إنه على وشكحول "البطارية الرئيسية لأوروبا"، التيار الدافئ لتيار الخليج. توفر تيارات المياه الدافئة العملاقة، التي تتحرك على طول سطح المحيط الأطلسي، درجة حرارة مريحة على ساحلها، وهي ليست نموذجية بالنسبة لخطوط العرض هذه.

تجميد.نقطة تجمد الماء تساوي 0 درجة مشروطة، ولكن في الواقع تعتمد هذه المعلمة على عدد من العوامل: الضغط الجوي، والحاوية التي يوضع فيها الماء، ووجود الشوائب فيه.

الماء فريد من نوعه لأنه، على عكس المواد الأخرى، يتمدد عندما يتجمد. مع فصول الشتاء القاسية، ربما يمكن أن نطلق على هذا اسمًا خاصية سلبية. إن تجميد الماء وزيادة حجمه (أو بالأحرى الجليد بالفعل) يؤدي ببساطة إلى تمزيق الأنابيب المعدنية.

لذلك، عند انتقال الماء إلى الحالة الصلبة، يزداد حجم الماء، لكنه يصبح أقل كثافة. ولذلك فإن الجليد دائمًا أخف من الماء، ويوجد على سطحه. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يجري الحرارة بشكل سيء: حتى في أبرد فصل الشتاء، يتم الحفاظ على الحياة في خزانات الكوكب. بعد كل شيء، كلما كانت "وسادة" الجليد أكثر سمكا، كلما كان الماء أكثر دفئا تحتها. أيضًا، بفضل هذه الخاصية، لا تزال بعض الدول تبني ما يسمى بـ "الأنهار الجليدية" - الأقبية أو الكهوف المغطاة بالجليد، والتي لا تذوب حتى في الصيف، وتسمح لك بتخزين الطعام لفترة طويلة جدًا.

حتى أن بعض العلماء اقترحوا استخدام الجليد في مكافحة هذه الظاهرة الاحتباس الحرارى. جوهر الفكرة هو أن سفينة خاصة تسحب جبلًا جليديًا ينجرف في مكان ما بالقرب من القارة القطبية الجنوبية. ومن ثم يجره إلى أجواء أكثر دفئا، حيث يعاني الناس من الحرارة. يذوب الجبل الجليدي، مما يؤدي إلى تبريد المنطقة الساحلية بأكملها. هذا هو "تيار الخليج على العكس"، الذي خلقه الإنسان فقط.

الغليان.من البرد الجليد دعونا نتحركإلى البخار الساخن. نعلم جميعًا أن الماء يغلي عند 100 درجة مئوية. لكن هذا لا يتم إلا بشروط تكوين طبيعيالهواء والضغط الجوي. ولكن على قمة جبل إيفرست، حيث يكون الضغط أقل والهواء مخلخلًا، ستغلي غلايتك بالفعل عند درجة حرارة 68 درجة! الماء المغلي يساهم في موتهم فيه الكائنات الحية الدقيقة الضارة. كما أن الأطعمة المطبوخة على البخار أكثر صحة من الأطعمة المقلية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يسمى بخار الماء المحرك الحقيقي للحضارة. لم يمر حتى 100 عام منذ ظهور المحركات البخارية، ولا يزال الكثير من الناس يشيرون خطأً إلى قاطرات السكك الحديدية (التي تعمل الآن بشكل أساسي بالكهرباء) باسم "القاطرات البخارية".

بالمناسبة، عن الكهرباء. بدون البخار، سيظل الأمر فضولا نادرا ومكلفا. بعد كل شيء، يعتمد مبدأ تشغيل معظم محطات الطاقة على دوران الدوار تحت ضغط البخار الساخن. تختلف محطات الطاقة النووية الحديثة عن محطات الفحم أو النفط القديمة فقط في مبدأ تسخين المياه. حتى الطاقة الشمسية المبتكرة والآمنة تستخدم البخار: تركز المرايا الضخمة، مثل العدسة المكبرة أشعة الشمسعلى خزان المياه، وتحويله إلى بخار للتوربينات الكهربائية.

تحلل.آخر الممتلكات الأكثر أهميةالماء، الذي بدونه لن يكون العلم والصناعة فحسب، بل الحياة نفسها مستحيلة! ما هو القاسم المشترك بين بلازما الدم والصودا المفضلة لديك؟ الجواب بسيط: الصودا المحلول المائيالأملاح والمعادن والغازات المختلفة. تتكون البلازما من 90% ماء، بالإضافة إلى بروتينات ومواد أخرى. وتتلقى كل خلية من خلايا الكائن الحي المواد التي تحتاجها، وذلك أيضًا على شكل محلول مائي.

الماء هو المذيب الطبيعي الأبسط والأكثر أمانًا ولكنه مع ذلك الأكثر موثوقية. بين جزيئاتها المتحركة، يمكن لأي مادة تقريبًا أن "تزحف" - من السوائل إلى المعادن. هذا خاصية رائعةوقد لوحظ منذ فجر البشرية. قام الفنانون القدماء بإذابة الأصباغ الطبيعية في الماء للرسم على جدران الكهوف. ثم استولى الكيميائيون في العصور الوسطى على العصا، وقاموا بإذابة مجموعة متنوعة من المواد في الماء على أمل الحصول على "حجر الفلاسفة" الذي يحول أي مادة إلى ذهب. والآن يتم استخدام هذه الخاصية بنجاح من قبل الكيميائيين المعاصرين.

التوتر السطحي.عندما يسمع معظم الناس عن التوتر السطحي للماء، لا يفكرون إلا في حشرات متزلجة الماء التي تنزلق على سطح البركة أو البركة. وفي الوقت نفسه، بدون خاصية الماء هذه، من المستحيل حتى غسل يديك! وبفضله تتشكل رغوة الصابون. ومن الصعب أيضًا تجفيف يديك بالمنشفة بدونها. بعد كل شيء، جميع المواد الماصة (لا يهم إذا كانت منشفة ورقية أو قطعة قماش من الألياف الدقيقة) لها مسام مجهرية يتم امتصاص الرطوبة فيها بسبب التوتر السطحي. وللسبب نفسه، يندفع الماء عبر الشعيرات الدموية الدقيقة التي تخترق جذور النباتات. ومن الممكن أيضًا تحضير الملاط الجاف بسبب التوتر السطحي للماء المضاف.

تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض بشكل نشط، ونتيجة لذلك، يميل سطحها عند حجم معين إلى الحد الأدنى. ذلك هو السبب الشكل الطبيعيأي سائل هو كرة. يمكن التحقق من ذلك بسهولة من خلال التواجد في حالة انعدام الجاذبية. على الرغم من أنه ليس من الضروري إجراء مثل هذه التجربة في الفضاء، فما عليك سوى استخدام حقنة لحقن بعض الماء في كوب به زيت نباتيوشاهدها وهي تتجمع في الكرات.

• >

  أظن أنه نتيجة لحقيقة أن الجليد أخف من الماء غير المتجمد، فإن بلورات الجليد الأولى تطفو وتتحد مع بعضها البعض ويحدث التجميد بشكل أسرع في الجزء العلوي.

  تجدر الإشارة إلى أنه من ناحية أخرى، هناك الحمل الحراري، والذي سيعمل على العكس تماما، مما يرفع المزيد ماء دافئللأعلى، ومنع تكون الجليد هناك. ومع ذلك، يبدو لي أنه مع التجميد البطيء الموحد، يتم تسوية هذا التأثير.

• كيفية لحام جرة كاملة من الماء؟

  يوافق. اللحام المثالي لا يعمل هنا. لذلك، لصق اللحام في الأعلى، طالما أن الماء لا يتدفق. بالمناسبة، في مكان اللحام، يتم تشكيل بخار الماء بالفعل عند تسخينه بمكواة لحام.

  من الواضح أن حجم الماء سيعود إلى حجمه الأصلي. ومع ذلك، بسبب ما - هناك افتراض بأنه لن يتم الضغط على الجزء السفلي (لقد أصبح مقببا للغاية)، ولكن الجدار الجانبي للبنك.

  إذا كانت الجرة محكمة الغلق تمامًا، فنعم، سيتم ضغط الجدار الجانبي للداخل. ولكن لا يزال الهواء يدخل. لذلك، بعد إزالة الجليد، اتضح أن الهواء يظهر من الأعلى، أثناء التجميد، يتم ضغط الجزء السفلي أكثر، وهكذا حتى يتم التخلص منه بالكامل.

  ملاحظة: قمت اليوم بإذابة الجرة ووضعها في الثلاجة الثانية. دعونا نرى ما يخرج من هذا ...

• 1. حاولت اللحام ولم ينجح! لم أتمكن من التحضير إلا بجهاز نصف أوتوماتيكي (لحام كهربائي) لقد جمدت وأذيبت الجزء السفلي ولم أتدخل اعتقدت أنه بسبب الهواء، أخذت جرة أخرى ملحومة أنبوبًا من الكاميرا وفحصتها بالهواء لمدة 2 أجهزة الصراف الآلي لم تكن هناك تسربات ملأت الماء ولم يكن هناك هواء! تم تجميد الجوانب وإذابة تجميدها تقريبًا ولم يتم التراجع عنها بعد مرور ساعة كان هناك ضغط زائد ويبدو لي أنه عندما يتم تجميد الماء وتذويب تجميده، يتم إطلاق الهواء المذاب فيه، وبالتالي لا يتم سحب الجوانب
  2، يتبلور الماء من الأعلى (نهر في الشتاء، برميل ماء) والجليد أخف من الماء، وأعتقد أنه موصل للبرودة.
• الجرة هي نفسها التي لديك من تحت الحليب، كل شيء حدث بنفس الطريقة التي انخفض بها جهدك قليلاً بعد إزالة الجليد، وتم إذابته في درجة حرارة الغرفة، ويبدو لي أن الأمر يستحق النظر في درجة حرارة الماء في حالتي وهي 7 درجات، ومن المحتمل أيضًا أن تؤثر درجة حرارة الغرفة 25 درجة. الآن أنا أتحقق مما سيحدث إذا تم وضع الجرار على جانبها مع وضع التماس في الأعلى والدرز في الأسفل!
• > 1. لماذا يضغط الماء المتجمد على الغطاء السفلي، ولا يؤثر عمليا على الجزء العلوي؟
  أعتقد أن عملية التجميد، نظرًا لأن الجرة كانت في حاوية بلاستيكية، لم تتم بشكل متساوٍ. أول من تجميد الجزء العلويلأنها كانت أقرب إلى البرودة، أما الجزء السفلي فكان يقع بين الجدران البلاستيكية والبئر. كان الهواء في العلب أكثر دفئًا قليلاً من الجزء العلوي. علاوة على ذلك، فإن الجليد داخل الجزء العلوي من العلبة أعطاه قوة إضافية، ولكن عندما تحول إلى جليد، تمدد الماء وضغط على السائل في الجزء السفلي من البئر. البنوك.
• > 1. لماذا يضغط الماء المتجمد على الغطاء السفلي، ولا يؤثر عمليا على الجزء العلوي؟

  1. يتشكل الجليد من الأعلى. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن التبريد (وليس الماء المتجمد، كما يكتب المؤلف) يرتفع إلى الأعلى بسبب حقيقة أنه عند التبريد (من 4 درجات إلى 0)، تنخفض الكثافة.
  2. التبريد (وليس الماء المتجمد، كما يكتب المؤلف)، بسبب زيادة الحجم، لم يعد يضغط على الغطاء، بل على "قريص" الجليد الذي يوزع القوة بالتساوي على كامل مساحة الغطاء. يتعرض الجزء "الأضعف" من الغطاء (من المركز) لنفس الضغط الذي تتعرض له الأجزاء "الأقوى" (بالقرب من الجدران الجانبية). ونتيجة لذلك، يتم إطفاء القوة الناتجة عن ماء التبريد بواسطة الجزء "القوي" من الغطاء. لا يوجد جليد في الجزء السفلي، والماء يضغط على الأجزاء "القوية"، ولا تنحني، ويمر الضغط الإجمالي إلى الأجزاء "الضعيفة"، ولا تمتصه الأجزاء "القوية" (لأن القوة تنتقل عبرها). الماء في كل الاتجاهات). شئ مثل هذا.

• توف. العلماء! وهل يمكن لأحد أن يخبرني ما هو ضغط الماء المتجمد والجليد الناتج على جدران الوعاء؟
• لا تكن ذكيا. لقد دفعت من خلال القاع، لأن الجاذبية تعمل أيضًا على هذه الجرة + حقيقة أنه من الأسفل تكون أعلى كثافة للمياه أثناء التجميد، وبالتالي، لم تكن هناك كتلة للتمدد في الأعلى كما كانت في الأسفل.

  يمكن حساب الضغط من p1/p2 = ((n ماء)/(n ثلج))*T1/T2

  سيتم دائمًا عصر الغطاء السفلي للخارج، إلا أن الجرة سوف تتجمد في حالة الدوران المستمر. أو في غياب الجاذبية.

  للحصول على درجة حرارة الجليد للمعادلة أعلاه، نقيس درجة حرارة العلبة، Q1=Q2، Q1=c*m*dT (can)
  Q2=c2*m2*dT2 + dL*m + c3*m2*dT3
  يبرد الماء + الماء يتبلور + يبرد الثلج
  dT3 = (ج*م*دت-c2*m2*dT2-دل*م)/(c3*m2)

  سيكون هذا هو التغير في درجة حرارة الجليد.
  استبدله بـ T=0+273-dT3 - ستكون هناك درجة حرارة T2.
  درجة الحرارة T1 - الماء - باستخدام مقياس الحرارة عندما يدخل الماء في حالة التوازن الديناميكي الحراري مع الجرة.

  P2 - ضغط الجليد، p1=pa+((m*9.8)/S(أسفل))

  يبدو أن كل شيء.
  احصل على p2، والذي سيكون مساويًا لمقدار الضغط المطلوب للضغط على الجرة لبعض الكمية.

  في شكل مبسط تبدو هذه المشكلة هكذا، والنتيجة ليست دقيقة تماما. من أجل الدقة، سيكون من الضروري التكامل هنا، ولكن أعتقد أن هذا كثير جدًا.

  آمل أنني لم أفتقد أي شيء.

• ساشا	13 ديسمبر 2012، الساعة 04:14 مساءً

  يرجع التأثير قيد النظر إلى حقيقة أن كثافة الجليد أقل في الواقع من كثافة الماء المرحلة الأوليةيحدث تجميد الطبقات العليا (من الأعلى إلى الأسفل). عندما تتجمد الطبقات العليا، فإنها تتفاعل مع جدران الوعاء (قوة الاحتكاك!). في المرحلة النهائية من التجميد، تكون قوة الاحتكاك هذه ضد الجدران أكبر من القوة المضادة للقاع. وبالتالي فإن الجزء السفلي يضغط للخارج.

• إيفان

  7 نوفمبر 2014، الساعة 06:54

  0ليمبيان، كما تعلمون، عندما يبرد الماء، ترتفع طبقاته الدافئة، وتهبط الطبقات الباردة إلى القاع، ويلاحظ هذا التأثير حتى 4 درجات مئوية ( أعلى كثافةالماء) ولن تكون هناك حركة للطبقات حتى يبرد الماء إلى العمق الكامل إلى 4 درجات. بعد ذلك تتبلور الجزيئات (كثافتها أقل من كثافة الماء عند 4 درجات) وترتفع، ويتشكل الجليد عند الغطاء العلوي للجرة، وفي عملية التجميد الإضافي، يكون من الأسهل على الثلج أن يذوب اضغط على الغطاء السفلي للجرة للتغلب على مقاومة "سدادة الجليد" المتكونة في الأعلى (حسب المسار الأقل مقاومة).
• ألكساندر، لن يتم فتح الخزان غير المكتمل، لأنه. في أماكن الضغط، سوف يذوب الجليد.

• 11 يناير 2015، الساعة 07:44

  شكراً جزيلاً! أنا أفهم أن السؤال قد يبدو بدائيا، المستوى المنهج المدرسيفي الفيزياء، لكنني إنساني، وفي المدرسة، بعبارة ملطفة، لم أكن "منجذباً" إلى العلوم الدقيقة. على الرغم من أن بعض المناصب في الفيزياء وخاصة في الهندسة جذبتني. لقد افترضت أن هناك مكانًا يتسع فيه الجليد، لكنني لم أكن متأكدًا - فهذا يعني أن الخزان قد صدأ عند التقاطع. شكرآ مرة اخرى لردك! شكرا مرة أخرى على ردك، عطلة سعيدة! بإخلاص. الكسندر.
• بيتا، بقدر ما أفهم، فإن الأجسام الغريبة (الألواح، جذوع الأشجار، الزجاجات) في الماء المتجمد تمنع تشكل قطعة صلبة من الجليد. الذي يضغط فقط على الجانبين والأسفل. بدلا من ذلك، لدينا عدة قطع يمكن أن تتحرك بالنسبة لبعضها البعض وبالتالي لا تضغط على الجدران وأسفل الخزان.
• على الجدران الجانبيةوالجليد المتوسع لا يمارس ضغطًا على القاع.

  يتم عرض "NOT" المفقودة

• بيتا تضع أرضية في خزان به ماء، لحمايتها من الضغط الزائد بعد تجميد الجدران الخارجية والأغطية (الجليد العلوي). أيضا مع الزجاجات (البلاستيك). من الأفضل ترك حوض السباحة نصف ممتلئ، بحيث يلغي ضغط الأرض المتجمدة والجليد الموجود فيه بعضهما البعض.
• ألم تفكر في أن العلبة معدنية وتميل إلى الانكماش في الصقيع والتمدد في درجات حرارة موجبة؟

• إدوارد

  26 مارس 2016، الساعة 07:35

  ماذا عن علبة الحليب؟ الحليب مستحلب دهني. هل قمت بإزالة الشحوم من داخل الجرة؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك، فقد تكونت الدهون طبقة أحادية الجزيئية على سطح الماء في الجرة، أليس كذلك؟ ربما كان لها تأثير أيضا؟ ومن المعلوم أن الضغط يكون أكبر في الاتجاه الذي تكون فيه المعارضة له أضعف. لذلك، إذا حدث التجميد من أعلى إلى أسفل، فإن الماء المتبقي غير المتجمد، يتجمد، يضغط حيث الجليد الضخمليس بعد؟ وهذا هو - على الغطاء السفلي من البلاستيك نسبيا، أسفل؟
• الذي يكتب ماذا، ولم يجيب أحد لماذا مغلقة جرة زجاجيةمكتمل. ذات يوم دخلت في جدال مفاده أنه ينفجر لأن الماء لا يغير حجمه، والزجاج ينكمش من البرد، ولا يوجد مكان ينكمش فيه، فانفجر الجرة.. ضحكوا علي، لكني أتذكر بالضبط ماذا قال مدرس الفيزياء. أو ربما تتذكر شيئا؟ صحح لي أخطائي..
• والآن أنا متأكد من أنني على حق.

• 25 سبتمبر 2016، الساعة 17:14

  فلاديمير نيموفيتغير حجم الماء فقط: كثافة الماء = 1، وكثافة الجليد = 0.9. أي أنه عند تجميده، قفزة مفاجئةحجم المحتلة. وبما أن البنك لديه حجم ثابت، فإنه ينفجر. شيء سيء آخر هو أن هذا زجاج - فالشرخ ينتشر في جميع أنحاء الجرة مرة واحدة. لقد "أفسدت" بطريقة ما جرة سعة ثلاثة لترات تجمد فيها لتر من الماء عن طريق الخطأ من القوة - لقد تشققت تمامًا.
• إذا كنت شخصًا واسع المعرفة، فلن أجادل، لكن هناك شيئًا ما يطاردك، هناك خطأ ما ... عند التجميد، لا يميل الزجاج إلى الانخفاض في الحجم، وماذا عن المعدن؟ هذا هو المكان الذي يكمن الجواب! ولكن شكرا على أي حال لتوضيحك.
• شكرًا لك.
• يتم ضغط الماء المتجمد من خلال الغطاء السفلي لأن الطاقة الكامنة لجليد الماء لا تزيد، وبالتالي يصبح مركز الكتلة أقل
• عندما يتغير حالة التجميعالمادة والامتصاص المتزامن للطاقة يزيد حجم الأجسام.
• السؤال ذو صلة من وجهة نظر الممارسة. كانت هناك حالة. انفجر إبريق من الحجر الاصطناعي على القبر في الشتاء. النصيحة واضحة: قم بتغطيتها قبل الصقيع حتى لا يدخل الماء إليها. لكن هذا ليس ممكن دائما. ما هو الحل أيضا؟ على سبيل المثال، ضع شيئا في الداخل.
• كل شيء مثير للاهتمام للغاية، بما أنني أعمل على موضوع استخدام الطاقة الباردة، فقد قمت بتطوير P.V.D بحركة شبه دائمة.
• نيكولاس! شارك تطورك. أو إعطاء الرابط حيث يتم مناقشته.
• الأمر هو أن الثلج الذي يطفو إلى أعلى الجرة يشكل إطارًا متساويًا، مما يجعل الضغط الإضافي على الغطاء العلوي موحدًا، ويتجمد الجزء السفلي بمساحة غير مستوية، وهي تساوي قاع الجرة ومع نسبة 70% ثلج و 30% ماء، تقريباً، يصبح الثلج في أجزائه السفلية على شكل إسفين، مما يعطي مساحة أصغر من الضغط وبسبب ذلك يصبح قاع العلبة الضغط من خلال. يمكنك أيضًا أن تأخذ في الاعتبار قوة الجاذبية، فلا يزال الجليد يضغط على القاع حتى لو كان هناك ماء، قليلًا بالطبع، ولا حتى ملحوظًا، لكنه يضغط.
• كان هناك سؤال - ما هو نوع الوعاء الذي يجب صنعه ومن ماذا حتى لا ينفجر عندما يتجمد الماء. يؤدي تجميد الماء إلى زيادة حجمه بنسبة 10% تقريبًا. بما أن الوعاء لم ينفجر فهذا يعني أن الماء لم يزيد حجمه - أي. لم يتجمد. المرجع الآن - تنخفض نقطة تجمد الماء مع زيادة الضغط بحوالي 1 جرام. ج لكل 130 صراف آلي. ويصل إلى الحد الأدنى (-22 غرام مئوية) عند ضغط 2200 ضغط جوي. أولئك. يمكن القول أن الوعاء الذي لن ينكسر من الماء المتجمد إلى درجة حرارة -22 جرام. يجب أن يتحمل C 2200 أجهزة الصراف الآلي. أولئك. أكثر من 2 طن لكل متر مربع رؤية أكثر مما كانت عليه في الأسفل خندق ماريانا
• يتشكل الجليد من الأعلى. وبما أن الثلج مادة صلبة فإن الدفع عبر سمك الجليد + الغطاء العلوي مع الضغط أصعب من الدفع عبر القاع بدون ثلج، ومن ثم تأثير المكبس من أعلى إلى أسفل مع الضغط على الماء.

التوسع أو الانكماش؟ الجواب هو كما يلي: مع حلول فصل الشتاء، تبدأ المياه عملية التوسع. لماذا يحدث هذا؟ تميز هذه الخاصية الماء عن قائمة جميع السوائل والغازات الأخرى، والتي، على العكس من ذلك، يتم ضغطها عند تبريدها. ما هو سبب هذا السلوك لهذا السائل غير العادي؟

فيزياء الصف الثالث: هل يتمدد الماء أو ينكمش عندما يتجمد؟

تتمدد معظم المواد والمواد عند تسخينها وتتقلص عند تبريدها. وتظهر الغازات هذا التأثير بشكل أكثر وضوحا، ولكن السوائل المختلفة و المعادن الصلبةتظهر نفس الخصائص.

واحدة من أكثر أمثلة واضحةتمدد وانكماش الغاز هو الهواء الموجود في البالون. عندما نخرج بالونفي الهواء الطلق في الطقس السيئ، يتناقص حجم الكرة على الفور. إذا أدخلنا الكرة إلى غرفة ساخنة، فإنها تزيد على الفور. ولكن إذا أحضرنا بالونًا إلى الحمام، فسوف ينفجر.

تتطلب جزيئات الماء مساحة أكبر

السبب وراء حدوث عمليات التوسع والانكماش هذه مواد مختلفة، هي جزيئات. تلك التي تتلقى المزيد من الطاقة (يحدث هذا في غرفة دافئة) تتحرك بشكل أسرع بكثير من الجزيئات الموجودة في غرفة باردة. تتصادم الجسيمات التي لديها طاقة أكبر بشكل أكثر نشاطًا وفي كثير من الأحيان تحتاج إلى مساحة أكبر للتحرك. ولاحتواء الضغط الذي تمارسه الجزيئات، تبدأ المادة في الزيادة في الحجم. ويحدث بسرعة كبيرة. إذن، هل يتمدد الماء أو ينكمش عندما يتجمد؟ لماذا يحدث هذا؟

الماء لا يطيع هذه القواعد. إذا بدأنا بتبريد الماء إلى أربع درجات مئوية، فسيقل حجمه. ولكن إذا استمرت درجة الحرارة في الانخفاض، فإن الماء يبدأ فجأة في التوسع! هناك خاصية مثل الشذوذ في كثافة الماء. تحدث هذه الخاصية عند درجة حرارة أربع درجات مئوية.

الآن بعد أن اكتشفنا ما إذا كان الماء يتمدد أو ينكمش عندما يتجمد، دعونا نعرف كيف يحدث هذا الشذوذ في المقام الأول. السبب يكمن في الجزيئات التي يتكون منها. يتكون جزيء الماء من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. الجميع يعرف صيغة الماء منذ ذلك الحين مدرسة إبتدائية. تجذب الذرات الموجودة في هذا الجزيء الإلكترونات بطرق مختلفة. الهيدروجين لديه مركز ثقل إيجابي، في حين أن الأكسجين، على العكس من ذلك، لديه مركز ثقل سلبي. عندما تصطدم جزيئات الماء ببعضها البعض، تنتقل ذرات الهيدروجين من جزيء واحد إلى ذرة الأكسجين من جزيء مختلف تماما. وتسمى هذه الظاهرة الترابط الهيدروجيني.

يحتاج الماء إلى مساحة أكبر عندما يبرد

وفي اللحظة التي تبدأ فيها عملية تكوين الروابط الهيدروجينية، تبدأ أماكن في الماء بالظهور حيث تكون الجزيئات بنفس الترتيب الموجود في بلورة الجليد. وتسمى هذه الفراغات المجموعات. فهي ليست متينة، كما هو الحال في بلورة الماء الصلبة. عندما ترتفع درجة الحرارة، يتم تدميرها وتغيير موقعها.

أثناء هذه العملية، يبدأ عدد التجمعات في السائل في الزيادة بسرعة. فهي تتطلب مساحة أكبر للانتشار، ولهذا السبب يزداد حجم الماء بعد وصوله إلى كثافته غير الطبيعية.

وعندما ينخفض ​​مقياس الحرارة إلى ما دون الصفر، تبدأ التجمعات بالتحول إلى بلورات ثلجية صغيرة. يبدأون في الصعود. ونتيجة لكل هذا يتحول الماء إلى جليد. هذه قدرة غير عادية للغاية للمياه. هذه الظاهرة ضرورية ل عدد كبيرالعمليات في الطبيعة. كلنا نعلم، وإذا كنا لا نعرف، فنتذكر أن كثافة الجليد أقل بقليل من كثافة الجليد البارد أو ماء بارد. وهذا يسمح للجليد بالطفو على سطح الماء. تبدأ جميع الخزانات في التجميد من الأعلى إلى الأسفل، مما يسمح لسكان الأحياء المائية بالتواجد في الأسفل وعدم التجمد. إذن، الآن أصبحنا نعرف بالتفصيل ما إذا كان الماء يتمدد أم ينكمش عندما يتجمد.

يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من الماء البارد. إذا أخذنا كأسين متماثلين وسكبنا في أحدهما الماء الساخن ونفس الكمية من الماء البارد في الآخر، فسنلاحظ ذلك الماء الساخنيتجمد بشكل أسرع من البرد. هذا ليس منطقيا، أليس كذلك؟ يحتاج الماء الساخن إلى التبريد قبل أن يبدأ في التجمد، لكن الماء البارد لا يفعل ذلك. كيف نفسر هذه الحقيقة؟ لا يستطيع العلماء حتى يومنا هذا تفسير هذا اللغز. وتسمى هذه الظاهرة تأثير مبيمبا. تم اكتشافه في عام 1963 من قبل عالم من تنزانيا في ظل مجموعة من الظروف غير العادية. أراد الطالب أن يصنع لنفسه الآيس كريم ولاحظ أن الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع. لقد شارك هذا الأمر مع مدرس الفيزياء الذي لم يصدقه في البداية.

يبدو أنه يمكن أن يكون أكثر شيوعا من الجليد؟ في المنطقة الوسطى من أوراسيا حيث يستمر الشتاء لعدة أشهر، وفي الشمال حيث يستمر الشتاء معظمالعام، وفي المناطق الجبلية الجنوبية، يعد الثلج والجليد من المكونات المألوفة للمناظر الطبيعية.

وفي الوقت نفسه، فإن عملية تكوين الجليد نفسها غير عادية. لنرى، على سبيل المثال، كيف يتغير حجم الماء أثناء التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، أي عندما يتجمد. ولا يحدث هذا التغيير بنفس الطريقة التي يحدث بها في المواد الأخرى المعروفة لنا. كلهم، باستثناء البزموت والجاليوم، يتقلصون، ويقللون من حجمهم عندما يبردون. أثناء التصلب، يتم تقليل حجمها بشكل كبير مقارنة بنفس كتلة الذوبان.

عندما يتجمد الماء، يحدث كل شيء في الاتجاه المعاكس - تنخفض كثافة الجليد، ويزيد الحجم بنسبة 10٪ مقارنة بالحجم الذي تشغله نفس كتلة الماء.

منذ العصور القديمة، عرف الناس خاصية الجليد هذه. لا يعرفون كيفية شرح ذلك، ومع ذلك، فقد استخدموه بنجاح. تم تشييد المباني العظيمة في شمال أوروبا من كتل حجرية تزن مئات الكيلوجرامات. لصنع مثل هذه الكتل، يتم عمل أخاديد ضحلة نسبيًا في الصخور أو اختيار الشقوق المناسبة. قبل بداية برد الشتاء، غمرتهم المياه، وكان الجليد الناتج بمثابة مادة متفجرة. لذلك، بصبر، سنة بعد سنة، سحق الناس أقوى الصخور، وحصلوا على مواد البناء، وذلك باستخدام توسيع المياه أثناء التجميد. الآن يمكن للعلم أن يفسر سبب هذه الظاهرة. كما يظهر في الشكل. في الشكل 1.8، يحدث التغير في الحجم مع انخفاض درجة الحرارة بطريقة غريبة. في البداية، يتصرف الماء مثل العديد من السوائل الأخرى: حيث يتكثف تدريجيًا، فإنه يقلل من حجمه. ويلاحظ ذلك حتى 4 درجات مئوية (بشكل أكثر دقة، حتى 3.98 درجة مئوية). في ظل هذه الدرجة من الحرارة، يبدو أن الأزمة قد بدأت. لم يعد التبريد الإضافي يقلل من الحجم، بل يزيد الحجم تدريجيًا. تنقطع النعومة فجأة عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، ويتحول المنحنى إلى خط عمودي مستقيم، ويزداد الحجم فجأة بنسبة 10% تقريبًا. يتحول الماء إلى جليد.

من الواضح أنه عند درجة حرارة 3.98 درجة مئوية، يبدأ التداخل الحراري في تكوين المواد الزميلة في الضعف إلى حد كبير بحيث يصبح من الممكن إجراء بعض إعادة الترتيب الهيكلي للمياه في أطر تشبه الجليد. يتم ترتيب الجزيئات بشكل متبادل، وفي بعض الأماكن يتم تشكيل بنية سداسية مميزة للجليد 1.

هذه العمليات في الماء السائل، كما كانت، تستعد لإعادة الهيكلة الهيكلية الكاملة، وعند 0 درجة مئوية يحدث ذلك: يصبح الماء المتدفق جليدًا - مادة صلبة بلورية. يحصل كل جزيء على فرصة الارتباط بأربعة روابط هيدروجينية

أنا مجاورة. لذلك، في الطور الجليدي، يشكل الماء بنية مخرمة مع "قنوات" بين مجموعات ثابتة من جزيئات الماء.

من المحتمل أن هناك خاصية غريبة أخرى للمياه مرتبطة بإعادة الترتيب الهيكلي - وهي قفزة حادة في السعة الحرارية أثناء المرحلة الانتقالية "الجليد المائي". الماء عند 0 درجة مئوية لديه سعة حرارية محددة تبلغ 1.009. إن السعة الحرارية النوعية للماء الذي يتحول إلى ثلج عند نفس درجة الحرارة هي نصف ذلك.

نظرًا لخصائص التحول الهيكلي "الماء - الجليد" في حدود 3.98 ... 0 درجة مئوية ، فإن الخزانات الطبيعية ذات العمق الكافي لا تتجمد عادةً في القاع. مع بداية برد الشتاء، تغرق الطبقات العليا من الماء، بعد أن تبرد إلى حوالي +4 درجات مئوية وتصل إلى أقصى كثافة، في قاع الخزان. تحمل هذه الطبقات الأكسجين إلى الأعماق وتساعده توزيع موحدالشوائب الغذائية. وفي مكانها، ترتفع كتل الماء الأكثر دفئًا إلى السطح، وتتكثف، وتبرد عند ملامستها للهواء السطحي، وبعد أن تبرد إلى +4 درجة مئوية، تغوص بدورها إلى عمق أكبر. يستمر الخلط حتى يتم استنفاد الدورة الدموية ويتم تغطية الخزان بطبقة عائمة من الجليد. يحمي الجليد الأعماق بشكل موثوق من التجميد المستمر - فالتوصيل الحراري له أقل بكثير من موصليته الحرارية للماء.

كل عام، أصبح نمط الحياة الصحي أكثر وأكثر شعبية. يقلع الناس عن التدخين، ويبدأون في ممارسة الرياضة، ويحسبون السعرات الحرارية في الأطعمة التي تناولوها خلال اليوم، ويتحكمون الوزن الزائد. هناك العديد من الرياضات…

تتضمن تقنية الطباعة كبيرة الحجم النسخ المتماثل منتجات الطباعةمعلمات كبيرة على "الطابعات العريضة" والراسمات الخاصة. بفضل استخدام هذه المعدات الحديثة القوية، يمكنك الحصول على مطبوعات بتنسيقات مختلفة A1 وA2 وA3 و...

تسخين - عملية مهمةأي تجديد المنزل. بعد كل شيء، فإن متانة جدار معين والواجهة ككل ستعتمد عليه. تقدم الشركات المصنعة اليوم مجموعة واسعة من المواد العازلة - المعدنية ...

11. لماذا يتمدد الماء عندما يتجمد؟

تجميد جزيء الماء يعني أنه يفقد من سطح مكوناته العناصر الكيميائيةالفوتونات المتراكمة من أصل شمسي. وتتراكم معظم هذه الفوتونات على سطح الهيدروجين، حيث أن الطبقات السطحية للهيدروجين تحتوي على نسبة كبيرة من فوتونات الين (الماصة للأثير). يؤدي التعرض للهيدروجين إلى حقيقة أن جزيئات الماء تبدأ في الدوران بالنسبة لبعضها البعض. يبدأ الهيدروجين العاري للجزيئات المجاورة في جذب بعضها البعض. في الحالة السائلة للماء، يتم "تغطية" الهيدروجين بجزيئات حرة. لقد قاموا بحماية فوتونات يين في تكوينها، وبهذه الطريقة قللوا من ظهور مجالات الجذب لهذه الفوتونات في الخارج. ومن بين الجزيئات الشمسية (المنبعثة من الشمس)، تسود جزيئات يانغ (الأثير المنبعث). وبسبب هذا التدريع، فإن جاذبية الماء من الجانب الهيدروجيني في الحالة السائلة ليست قوية جدًا.

عندما يتجمد الماء و"تتجه" الجزيئات نحو بعضها البعض باستخدام "أجزاء الهيدروجين"، فإن "أطراف الأكسجين" أيضًا تتجه نحو بعضها البعض. في الحالة السائلة، ترتبط الجزيئات بهذه الطريقة - "الهيدروجين - الأكسجين - الهيدروجين - الأكسجين " . وفي الصلبة مثل هذا: "أكسجين - أكسجين - هيدروجين - هيدروجين - أكسجين - أكسجين - هيدروجين - هيدروجين " .

بتعبير أدق، في الحالة الصلبة، يحدث الاتصال بسبب روابط الهيدروجين. وتضطر عناصر الأكسجين ببساطة إلى التوجه نحو بعضها البعض.

حيث لا تحتوي على عناصر الأكسجين الطبقات السطحيةمثل عدد فوتونات يين مثل الهيدروجين، فإن عملية التجميد - فقدان الفوتونات الحرة - لا تؤثر بشكل كبير على خصائص مجال القوة للعناصر. وبما أنه كان هناك مجال تنافر كبير، فقد بقي كذلك. ولذلك، عندما تتجه جزيئات الماء إلى بعضها البعض مع الأكسجين، يكون لعناصر الأكسجين تأثير تحويلي على بعضها البعض. تذكر أن التحول هو تسخين، زيادة في درجة الحرارة. تنبعث العناصر من الأثير تجاه بعضها البعض (بفضل جزيئات يانغ)، و. وبالتالي التدفئة (التحويل). والأثير المنبعث من كل عنصر نحو الآخر يمنعه من انبعاث الأثير. وبسبب هذا التعارض، يحدث تحول في نوعية الجزيئات في تكوين العناصر. والتدفئة، كما تعلمون، تكون مصحوبة دائما بتوسع المادة. ولهذا السبب يتمدد الماء عندما يتجمد. ولكن ليس كثيرا. ليست الطريقة التي ستتوسع بها إذا بدأت بغليها.

لقد تم تجاوز نقطة التجمد، واستدارت الجزيئات، وتحول (سخن) الأكسجين في تركيبة الجزيئات. ولكن هذه التدفئة نقطة، ضعيفة جدا. وهذا ليس تسخينًا، على سبيل المثال، بسبب احتراق الوقود أو المرور التيار الكهربائيعندما يتراكم عدد كبير من الجزيئات الحرة ذات الحقول التنافرية (يانغ).

وفي المستقبل، إذا استمر تبريد الماء، فلن يحدث المزيد من التوسع.

وبذلك نكون قد قمنا بتحليل أسباب تمدد الماء أثناء التبريد.

نوصي بشدة بقراءة المقالات المتعلقة بتحويل جودة الجسيمات في الجزء الثاني حول ميكانيكا الجسيمات. خلاف ذلك، فإن السبب الرئيسي لتوسع الماء، وحتى المواد عند تسخينها، ستبقى غير مفهومة لك.