Volumetrisk utvidelse av vann ved frysing. Hvorfor utvider vannet seg når det fryser?

Tetthet

Tettheten av ren is ρ h ved en temperatur på 0 ° C og et trykk på 1 atm (1,01105 Pa) er 916,8 kg / m 3. Med økende trykk øker tettheten av is litt. Så ved bunnen av den antarktiske isen på steder med dens største tykkelse, som når 4200 m, kan tettheten av is nå 920 kg/m 3 . Tettheten av is øker også med en reduksjon i temperaturen (med ca. 1,5 kg / m 3 med en reduksjon i temperaturen med 10 ° C).

Termisk deformasjon

Med en temperaturreduksjon reduseres de lineære dimensjonene og volumet til prøver og ismasser, og med en økning i temperaturen observeres den motsatte prosessen - termisk utvidelse av is. Koeffisienten for lineær utvidelse av is avhenger av temperaturen, og øker med økningen. I temperaturområdet fra -20 til 0 ° C er koeffisienten for lineær utvidelse i gjennomsnitt 5,5-10~5. og volumetrisk ekspansjonskoeffisient er henholdsvis 16,5-10"5 per 1 °C. I området fra -40 til -20 °C avtar den lineære ekspansjonskoeffisienten til 3,6-10"5 per 1 °C.

Fusjonsvarme og sublimering

Mengden varme som kreves for å smelte en enhetsmasse av is uten å endre temperaturen kalles den spesifikke varmen ved issmelting. Frysevann avgir samme mengde varme. Ved 0 °C og ved normalt atmosfærisk trykk er den spesifikke varmen ved issmelting Lm = 333,6 kJ/kg.

Den latente fordampningsvarmen til vann avhengig av temperaturen er lik
L isp \u003d 2500 - 246 kJ / kg,
hvor 6 er istemperaturen i °C.

Spesifikk varme for sublimering av is, dvs. mengden varme som kreves for direkte overgang av fersk is til damp ved konstant temperatur er lik summen av varmekostnadene som kreves for å smelte is Lpo og fordampe vann Lsp:
L luft =L pl +L bruk

Den spesifikke sublimeringsvarmen er nesten uavhengig av temperaturen til den fordampende isen (ved 0 °С Lsub = 2834 kJ/kg, ved -10 °С - 2836, ved -20 °С - 2837 kJ/kg). Under sublimering av damp frigjøres en tilsvarende mengde varme.

Varmekapasitet

Mengden varme som kreves for å varme en enhetsmasse av is med 1 °C ved konstant trykk kalles isens spesifikke varme. Varmekapasiteten til fersk is C l avtar med synkende temperatur:
C l \u003d 2,12 + 0,00786 kJ / kg.

rezelering

Is har egenskapen reglaciation (frysing), som kjennetegnes ved at når to isbiter kommer i kontakt og komprimeres, fryser de. Under påvirkning av lokalt forhøyet trykk på kontaktene, kan det forekomme noe smelting av is. Det resulterende vannet presses ut til steder hvor trykket er mindre, og der fryser det. Frysing av isflater kan skje både uten trykk og uten deltagelse av væskefasen.

På grunn av oppløsningsegenskapene er sprekker i isdekker og massiver i stand til å "hele" og sprukket is kan bli til monolitisk is. Dette er svært viktig når man bruker is som byggemateriale for konstruksjon av tekniske konstruksjoner (islager, vanntette kjerner av hydrauliske konstruksjoner, etc.).

Metamorfose

Ismetamorfose er en endring i dens struktur og tekstur under påvirkning av molekylære og termodynamiske prosesser. Disse prosessene manifesteres mest fullstendig under dannelsen av metamorf is, når et kontinuerlig, ugjennomtrengelig aggregat av iskrystaller dannes over tid fra en innledende akkumulering av snøpartikler som knapt er i kontakt med hverandre. I dette tilfellet oppstår relative forskyvninger av krystaller, overflateendringer i form og størrelse, deformasjon og vekst av noen krystaller på bekostning av andre.

I krystallinsk is skjer metamorfose hovedsakelig i form av kollektiv omkrystallisering med en økning i gjennomsnittlig størrelse på krystaller og en reduksjon i antall per volumenhet. Når krystallstørrelsen øker, reduseres intensiteten av rekrystallisering.

Optiske egenskaper

Is er en enakset, optisk positiv, dobbeltbrytende krystall med den laveste brytningsindeksen av et kjent mineral. Som et resultat av dobbeltbryting blir lysstrømmen i krystallen polarisert. Dette gjør det mulig å bestemme plasseringen av krystallaksene ved hjelp av polaroid.

Når lys passerer gjennom polykrystallinsk is, svekkes strømmen på grunn av absorpsjon og spredning, mens lysenergien omdannes til termisk energi, noe som forårsaker strålingsoppvarming og issmelting. Spredt lys forplanter seg i is i alle retninger, inkludert ut gjennom den bestrålte overflaten. På grunn av spredning av lys ser isen blå og jevn smaragd ut, og hvis det er en betydelig mengde luftinneslutninger i isen, blir den hvit.

Forholdet mellom mengden spredt stråleenergi som reflekteres fra isoverflaten og kommer ut gjennom overflaten og den totale energien av lys som kommer inn i overflaten kalles isalbedo. Albedoverdien avhenger av tilstanden til isoverflaten – for ren kald is er albedoverdien ca. 0,4, og når overflaten smelter og blir forurenset, synker den til 0,3-0,2. Når snø avsettes på isoverflaten, øker albedoen betydelig. Snødekkealbedo varierer fra 0,95 for nyfallen tørr snø i polare og fjellområder til 0,20 for våt forurenset snø.

Voitkovsky K.F. Grunnleggende om glasiologi. M.: Nauka, 1999, 255 s.

Det ser ut til, hva kan være mer vanlig enn is? I den midtre sonen av Eurasia, der vinteren varer i flere måneder, i nord, der vinteren varer det meste av året, og i de sørlige fjellområdene, er snø og is de vanlige komponentene i landskapet.

I mellomtiden er selve prosessen med isdannelse uvanlig. La oss for eksempel se hvordan volumet av vann endres under overgangen fra flytende til fast tilstand, det vil si når det fryser. Denne endringen skjer ikke på samme måte som i andre stoffer vi kjenner til. Alle, bortsett fra vismut og gallium, krymper, reduserer volumet når de avkjøles. Under størkning reduseres volumet deres betydelig sammenlignet med samme masse av smelten.

Når vann fryser, skjer alt omvendt - tettheten av is reduseres, og volumet øker med 10 % sammenlignet med volumet som er okkupert av samme vannmasse.

Siden antikken har folk kjent denne egenskapen til is. Uten å vite hvordan de skulle forklare det, brukte de det likevel med hell. Mektige bygninger i Nord-Europa ble reist av steinmonolitter som veide hundrevis av kilo. For å lage slike blokker ble det stanset relativt grunne riller i fjellene eller valgt egnede sprekker. Før vinterkulden begynte, ble de oversvømmet med vann, og den resulterende isen fungerte som et eksplosiv. Så tålmodig, år etter år, knuste folk de sterkeste steinene, skaffet byggemateriale ved å bruke vannutvidelsen under frysing. Nå kan vitenskapen forklare årsaken til dette fenomenet. Som det fremgår av fig. 1.8, fortsetter volumendringen med synkende temperatur på en særegen måte. Til å begynne med oppfører vann seg som mange andre væsker: gradvis kondensering reduserer det volumet. Dette observeres opp til 4°C (mer presist, opp til 3,98°C). Ved denne temperaturen ser det ut til at en krise setter inn. Ytterligere avkjøling reduserer ikke lenger, men øker volumet gradvis. Glattheten avbrytes brått ved 0°C, kurven går over i en vertikal rett linje, og volumet øker brått med nesten 10 %. Vann blir til is.

Åpenbart, ved 3,98°C, begynner termisk interferens i dannelsen av tilknyttede forbindelser å svekkes så mye at det blir mulig å strukturelle omorganiseringer av vann til islignende rammer. Molekyler er gjensidig ordnet, noen steder dannes det en sekskantet struktur som er karakteristisk for is1.

Disse prosessene i flytende vann, som det var, forbereder seg på en fullstendig strukturell omstrukturering, og ved 0 ° C skjer det: rennende vann blir is - et krystallinsk fast stoff. Hvert molekyl får muligheten til å koble sammen med fire hydrogenbindinger

Jeg er nabo. Derfor danner vann i isfasen en åpen struktur med "kanaler" mellom faste grupper av vannmolekyler.

Sannsynligvis er en annen særegen egenskap ved vann forbundet med den strukturelle omorganiseringen - et skarpt hopp i varmekapasiteten under faseovergangen "vann-is". Vann ved 0°C har en spesifikk varmekapasitet på 1,009. Den spesifikke varmekapasiteten til vann som blir til is ved samme temperatur er halvparten.

På grunn av særegenhetene ved den strukturelle overgangen "vann - is", i området 3,98 ... 0 ° C, fryser naturlige reservoarer med tilstrekkelig dybde vanligvis ikke til bunnen. Med begynnelsen av vinterkulden synker de øvre vannlagene, etter å ha avkjølt til ca + 4 ° C og når en maksimal tetthet, til bunnen av reservoaret. Disse lagene frakter oksygen til dypet og bidrar til å fordele næringsurenheter jevnt. I stedet stiger varmere vannmasser til overflaten, kondenserer, kjøles ned ved kontakt med overflateluft, og etter å ha avkjølt til +4°C synker de igjen dypere. Blandingen fortsetter til sirkulasjonen er oppbrukt og reservoaret er dekket med et flytende islag. Is beskytter dybdene pålitelig mot kontinuerlig frysing - tross alt er dens varmeledningsevne mye mindre enn vann.

Hvert år blir en sunn livsstil mer og mer populær. Folk slutter å røyke, begynner å trene, teller kaloriene i maten de har inntatt i løpet av dagen, og kontrollerer overvekt. Det finnes en rekke idretter...

Storformatutskriftsteknologi innebærer replikering av trykte produkter med store parametere på spesielle "brede skrivere" og plottere. Takket være bruken av så kraftig moderne utstyr, kan du få utskrifter av forskjellige formater A1, A2, A3 og ...

Isolasjon er en viktig del av enhver boligoppussing. Tross alt vil holdbarheten til en bestemt vegg og fasaden som helhet avhenge av den. I dag tilbyr produsenter et bredt utvalg av materialer for isolasjon - mineral ...

11. Hvorfor utvider vannet seg når det fryser

Frysingen av et vannmolekyl betyr at det mister de akkumulerte fotonene av solenergi fra overflaten til de kjemiske elementene som danner det. De fleste av disse fotonene akkumuleres på overflaten av hydrogen, siden overflatelagene av hydrogen inneholder en stor prosentandel av Yin-fotoner (absorberende eter). Eksponeringen av hydrogen fører til at vannmolekyler begynner å snu seg i forhold til hverandre. Det nakne hydrogenet til nabomolekylene begynner å tiltrekke seg hverandre. I flytende tilstand av vann ble hydrogen "dekket" av frie partikler. De skjermet Yin-fotonene i dens sammensetning, og reduserte på denne måten manifestasjonen av attraksjonsfeltene til disse fotonene utenfor. Blant solpartiklene (som sendes ut av solen), dominerer Yang-partikler (som kommer ut eter). På grunn av denne skjermingen er tiltrekningen fra hydrogensiden av vann i flytende tilstand ikke så sterk.

Når vann fryser og molekylene «vender» mot hverandre med «hydrogendeler», snur «oksygenendene» seg mot hverandre. I flytende tilstand er molekylene koblet slik - "hydrogen-oksygen-hydrogen-oksygen" . Og i solid som dette: "oksygen-oksygen-hydrogen-hydrogen-oksygen-oksygen-hydrogen-hydrogen" .

Mer presist, i fast tilstand, oppstår forbindelsen på grunn av hydrogenbindinger. Og oksygenelementene blir rett og slett tvunget til å vende seg mot hverandre.

Siden oksygenelementer ikke inneholder så mange Yin-fotoner som hydrogen i overflatelagene, påvirker ikke prosessen med frysing - tapet av frie fotoner - egenskapene til kraftfeltet til elementene nevneverdig. Ettersom det var et betydelig frastøtningsfelt, så gjenstår det. Derfor, når vannmolekyler vender seg mot hverandre med oksygen, har oksygenelementene en transformerende effekt på hverandre. Husk at transformasjon er oppvarming, en økning i temperatur. Elementer avgir eter mot hverandre (takket være Yang-partikler), og. dermed oppvarming (transformering). Eteren som sendes ut av hvert av elementene mot det andre hindrer det i å avgi eter. På grunn av denne motstanden skjer transformasjonen av kvaliteten på partiklene i sammensetningen av elementene. Og oppvarming, som du vet, er alltid ledsaget av utvidelse av materie. Dette er grunnen til at vannet utvider seg når det fryser. Men ikke mye. Ikke slik det vil utvide seg hvis du begynner å koke det.

Frysepunktet er passert, molekylene har snudd, og oksygenet er omdannet (varmet opp) i sammensetningen av molekylene. Men denne oppvarmingen er punkt, veldig svak. Dette er ikke oppvarming, for eksempel på grunn av forbrenning av drivstoff eller passering av en elektrisk strøm, når et stort antall frie partikler med frastøtende felt (Yang) samler seg.

I fremtiden, hvis avkjølingen av vannet fortsetter, vil det ikke skje mer ekspansjon.

Dermed har vi analysert årsakene til utvidelse av vann under kjøling.

Vi anbefaler på det sterkeste at du leser artiklene om i del 2 om partikkelmekanikk. Ellers vil hovedårsaken til utvidelsen av vann, og til og med stoffer ved oppvarming, forbli uforståelig for deg.