Pri segrevanju se voda razširi ali skrči. Ko voda zmrzne, se razširi ali skrči: preprosta fizika. Voda potrebuje več prostora, ko se ohladi

Japonski fizik Masakazu Matsumoto je postavil teorijo, ki pojasnjuje, zakaj se voda pri segrevanju od 0 do 4 °C skrči namesto razširi. Po njegovem modelu voda vsebuje mikroformacije - "vitrite", ki so konveksni votli poliedri, katerih oglišča vsebujejo molekule vode, robovi pa vodikove vezi. Ko se temperatura dvigne, tekmujeta dva pojava: raztezanje vodikovih vezi med molekulami vode in deformacija vitritov, kar vodi do zmanjšanja njihovih votlin. V temperaturnem območju od 0 do 3,98°C slednji pojav prevladuje nad učinkom raztezanja vodikovih vezi, kar na koncu da opazovano stiskanje vode. Eksperimentalne potrditve Matsumotovega modela, kot tudi drugih teorij, ki pojasnjujejo stiskanje vode, še ni.

Za razliko od velike večine snovi lahko voda pri segrevanju zmanjša svojo prostornino (slika 1), to pomeni, da ima negativen koeficient toplotnega raztezanja. Vendar ne govorimo o celotnem temperaturnem območju, kjer je voda v tekočem stanju, temveč le o ozkem delu - od 0°C do približno 4°C. Z b O Pri višjih temperaturah se voda tako kot druge snovi razširi.

Mimogrede, voda ni edina snov, ki ima lastnost krčenja, ko se temperatura poveča (ali razširi, ko se ohladi). S podobnim obnašanjem se lahko pohvalijo tudi bizmut, galij, silicij in antimon. Vendar pa je voda tista, ki pritegne pozornost znanstvenikov zaradi svoje bolj zapletene notranje zgradbe ter razširjenosti in pomena v različnih procesih (glej Študij strukture vode se nadaljuje, “Elementi”, 10/09/2006 ).

Pred časom je bila splošno sprejeta teorija, ki je odgovarjala na vprašanje, zakaj voda poveča svojo prostornino z nižanjem temperature (slika 1), model mešanice dveh komponent - »normalne« in »ledene«. To teorijo je v 19. stoletju prvi predlagal Harold Whiting, kasneje pa so jo razvili in izboljšali številni znanstveniki. Relativno nedavno, v okviru odkritega polimorfizma vode, je bila Wietingova teorija premišljena. Zdaj se domneva, da obstajata dve vrsti ledu podobnih nanodomen v prehlajeni vodi: amorfna ledu podobna območja z visoko in nizko gostoto. Segrevanje prehlajene vode povzroči taljenje teh nanostruktur in pojav dveh vrst vode: z večjo in z nižjo gostoto. Zvito temperaturno tekmovanje med dvema "razredoma" nastale vode povzroči nemonotono odvisnost gostote od temperature. Vendar pa ta teorija še ni bila eksperimentalno potrjena.

Pri tej razlagi morate biti previdni. Ni naključje, da tukaj govorimo samo o strukturah, ki spominjajo na amorfni led. Dejstvo je, da imajo nanoskopske regije amorfnega ledu in njegovi makroskopski analogi različne fizikalne parametre.

Japonski fizik Masakazu Matsumoto se je odločil najti razlago za tukaj obravnavan učinek "iz nič", pri čemer je zavrgel teorijo dvokomponentne mešanice. Z uporabo računalniških simulacij je preučil fizikalne lastnosti vode v širokem temperaturnem območju – od 200 do 360 K pri ničelnem tlaku –, da bi na molekularni ravni razumel prave razloge za širjenje vode, ko se ohladi. Njegov članek v reviji Physical Review Letters imenuje se: Zakaj se voda razširi, ko se ohladi? (»Zakaj se voda razširi, ko se ohladi?«).

Sprva je avtor članka postavil vprašanje: kaj vpliva na koeficient toplotnega raztezanja vode? Matsumoto meni, da je za to dovolj ugotoviti vpliv le treh dejavnikov: 1) spremembe dolžine vodikovih vezi med molekulami vode, 2) topološki indeks - število vezi na molekulo vode in 3) odstopanje od kota med vezmi od ravnotežne vrednosti (kotna distorzija).

Preden spregovorimo o rezultatih, ki jih je dobil japonski fizik, bomo podali pomembne komentarje in pojasnila v zvezi z zgornjimi tremi dejavniki. Prvič, običajna kemijska formula vode, H 2 O, ustreza samo njenemu stanju pare. V tekoči obliki so molekule vode združene v skupine (H 2 O) preko vodikove vezi. x, Kje x- število molekul. Energijsko najugodnejša kombinacija petih molekul vode ( x= 5) s štirimi vodikovimi vezmi, v katerih nastanejo vezi ravnovesje, tako imenovani tetraedrski kot, kar je enako 109,47 stopinj (glej sliko 2).

Po analizi odvisnosti dolžine vodikove vezi med molekulami vode od temperature je Matsumoto prišel do pričakovanega zaključka: zvišanje temperature povzroči linearni raztezek vodikovih vezi. In to posledično vodi do povečanja prostornine vode, torej do njenega širjenja. To dejstvo je v nasprotju z opazovanimi rezultati, zato je dodatno preučil vpliv drugega faktorja. Kako je koeficient toplotne razteznosti odvisen od topološkega indeksa?

Računalniško modeliranje je dalo naslednji rezultat. Pri nizkih temperaturah največjo prostornino vode v odstotkih zavzamejo vodni grozdi, ki imajo 4 vodikove vezi na molekulo (topološki indeks je 4). Zvišanje temperature povzroči zmanjšanje števila asociatov z indeksom 4, hkrati pa se začne povečevati število grozdov z indeksoma 3 in 5. Po opravljenih numeričnih izračunih je Matsumoto ugotovil, da lokalni volumen grozdov s topološkim Indeks 4 se praktično ne spremeni z naraščajočo temperaturo, sprememba skupne prostornine sodelavcev z indeksoma 3 in 5 pri kateri koli temperaturi pa se medsebojno kompenzira. Posledično sprememba temperature ne spremeni celotne prostornine vode, zato topološki indeks nima nobenega vpliva na stiskanje vode, ko se segreje.

Še vedno je treba pojasniti učinek kotnega popačenja vodikovih vezi. In tu se začne najbolj zanimivo in pomembno. Kot je navedeno zgoraj, se molekule vode nagibajo k združevanju, tako da je kot med vodikovimi vezmi tetraedričen. Toplotne vibracije molekul vode in interakcije z drugimi molekulami, ki niso vključene v grozd, pa jim to preprečujejo, kar vodikovo vezni kot odstopa od ravnotežne vrednosti 109,47 stopinj. Da bi nekako kvantitativno opisali ta proces kotne deformacije, Matsumoto in njegovi sodelavci gradijo na svojem prejšnjem delu Topološki gradniki mrež vodikovih vezi v vodi, objavljenem leta 2007 v Revija za kemijsko fiziko, je domneval obstoj tridimenzionalnih mikrostruktur v vodi, ki spominjajo na konveksne votle poliedre. Kasneje so v naslednjih publikacijah takšne mikrostrukture poimenovali vitrine(slika 3). V njih so oglišča molekule vode, vlogo robov imajo vodikove vezi, kot med vodikovimi vezmi pa je kot med robovi v vitritu.

Po Matsumotovi teoriji obstaja ogromno različnih oblik vitritisa, ki kot mozaični elementi sestavljajo večino strukture vode in hkrati enakomerno zapolnjujejo njen celoten volumen.

Molekule vode težijo k ustvarjanju tetraedrskih kotov v vitritih, saj morajo imeti vitriti najmanjšo možno energijo. Vendar pa zaradi toplotnih gibanj in lokalnih interakcij z drugimi vitriti nekatere mikrostrukture ne kažejo geometrije s tetraedrskimi koti (ali koti blizu te vrednosti). Sprejemajo takšne strukturno neravnovesne konfiguracije (ki zanje z energijskega vidika niso najbolj ugodne), ki omogočajo, da celotna »družina« vitritov kot celota pridobi najnižjo energijsko vrednost med možnimi. Takšen vitritis, to je vitritis, za katerega se zdi, da se žrtvuje »skupnim energetskim interesom«, imenujemo frustrirani. Če je pri nefrustriranem vitritisu prostornina votline največja pri določeni temperaturi, potem ima frustrirani vitritis, nasprotno, najmanjšo možno prostornino.

Računalniške simulacije, ki jih je izvedel Matsumoto, so pokazale, da se povprečna prostornina vitritnih votlin linearno zmanjšuje z naraščajočo temperaturo. V tem primeru frustrirani vitritis bistveno zmanjša svoj volumen, medtem ko volumen votline nefrustriranega vitritisa ostane skoraj nespremenjen.

Torej stiskanje vode z naraščajočo temperaturo povzročata dva konkurenčna učinka - raztezek vodikovih vezi, ki vodi do povečanja volumna vode, in zmanjšanje volumna votlin frustriranih vitritov. V temperaturnem območju od 0 do 4°C je zadnji pojav, kot so pokazali izračuni, prevladuje, kar na koncu vodi do opazovanega stiskanja vode z naraščajočo temperaturo.

Še vedno je treba počakati na eksperimentalno potrditev obstoja vitritov in njihovega obnašanja. Toda to je, žal, zelo težka naloga.

Ena najpogostejših snovi na Zemlji: voda. Tako kot zrak je za nas potreben, vendar ga včasih sploh ne opazimo. Samo je. Vendar se izkaže

Ena najpogostejših snovi na Zemlji: voda. Tako kot zrak je za nas potreben, vendar ga včasih sploh ne opazimo. Samo je. Toda izkazalo se je, da lahko navadna voda spremeni svojo prostornino in tehta več ali manj. Ko voda izhlapeva, segreva in ohlaja, se dogajajo res neverjetne stvari, o katerih bomo danes izvedeli.
Muriel Mandell v svoji zabavni knjigi Fizični poskusi za otroke naniza zanimive misli o lastnostih vode, na podlagi katerih se ne le mladi fiziki lahko naučijo veliko novega, ampak tudi odrasli osvežijo svoje znanje, ki ga je dolgo ga ni bilo treba uporabljati, zato se je izkazalo, da je rahlo pozabljen.Danes bomo govorili o prostornini in teži vode. Izkazalo se je, da enaka prostornina vode ne tehta vedno enako. In če vodo nalijete v kozarec in se ne razlije čez rob, to še ne pomeni, da bo vanj pod nobenim pogojem.

1. Pri segrevanju voda poveča prostornino

Kozarec, napolnjen z vodo, postavite v ponev, napolnjeno s približno pet centimetrov vrele vode. vode in pustite vreti na majhnem ognju. Voda iz kozarca se bo začela prelivati. To se zgodi zato, ker ko se voda segreje, tako kot druge tekočine, začne zavzemati več prostora. Molekule se odbijajo z večjo intenzivnostjo in to vodi do povečanja volumna vode.

2. Ko se voda ohladi, se skrči

Pustite, da se voda v kozarcu ohladi na sobni temperaturi, ali dodajte novo vodo in jo postavite v hladilnik. Čez nekaj časa boste ugotovili, da prej poln kozarec ni več poln. Ko se voda ohladi na 3,89 stopinje Celzija, se njena prostornina z nižanjem temperature zmanjša. Razlog za to je bilo zmanjšanje hitrosti gibanja molekul in njihovega približevanja drug drugemu pod vplivom hlajenja.Zdi se, da je vse zelo preprosto: hladnejša kot je voda, manjša je prostornina, vendar ...

3. ... se prostornina vode ponovno poveča, ko zmrzne

Kozarec napolnite z vodo do roba in pokrijte s kosom kartona. Postavite v zamrzovalnik in počakajte, da zamrzne. Ugotovili boste, da je bil kartonski "pokrov" potisnjen ven. Pri temperaturah med 3,89 in 0 stopinj Celzija, torej ko se približa ledišču, se voda ponovno začne širiti. Je ena redkih znanih snovi s to lastnostjo.Če uporabite tesen pokrov, bo led preprosto razbil kozarec. Ste že slišali, da lahko led poči tudi vodovodne cevi?

4. Led je lažji od vode

Postavite nekaj kock ledu v kozarec vode. Led bo plaval na površini. Ko voda zmrzne, se njena prostornina poveča. In posledično je led lažji od vode: njegova prostornina je približno 91% ustrezne prostornine vode.
Ta lastnost vode obstaja v naravi z razlogom. Ima zelo specifičen namen. Pravijo, da pozimi reke zamrznejo. A v resnici to ne drži povsem. Običajno zmrzne le majhna zgornja plast. Ta ledena plošča se ne potopi, ker je lažja od tekoče vode. Upočasnjuje zmrzovanje vode v globini reke in služi kot nekakšna odeja, ki ščiti ribe in drugo rečno in jezersko življenje pred hudimi zimskimi zmrzali. Ob študiju fizike začneš razumeti, da je marsikaj v naravi urejeno smotrno.

5. Voda iz pipe vsebuje minerale

V majhno stekleno posodo nalijte 5 žlic navadne vode iz pipe. Ko voda izhlapi, bo na skledi ostala bela obroba. Ta rob tvorijo minerali, ki so bili raztopljeni v vodi, ko je ta prehajala skozi plasti zemlje.Poglejte v kotliček in videli boste usedline mineralov. Enaka obloga se oblikuje na odtočni odprtini v kadi.Poskusite izhlapevati deževnico, da sami preverite, ali vsebuje minerale. Voda ima neverjetne lastnosti, po katerih se močno razlikuje od drugih tekočin. Ampak to je dobro, drugače, če bi imela voda "navadne" lastnosti, bi bil planet Zemlja popolnoma drugačen.

Velika večina snovi se pri segrevanju nagiba k ekspanziji. Kar je precej enostavno razložiti s stališča mehanske teorije toplote. V skladu z njim se atomi in molekule snovi pri segrevanju začnejo premikati hitreje. V trdnih snoveh dosežejo atomske vibracije večje amplitude in zahtevajo več prostega prostora. Posledično se telo razširi.

Enak proces se zgodi s tekočinami in plini. To pomeni, da se zaradi povišanja temperature poveča hitrost toplotnega gibanja prostih molekul in telo se razširi. Pri ohlajanju se telo zato skrči. To je značilno za skoraj vse snovi. Razen vode.

Pri ohlajanju v območju od 0 do 4 °C se voda razširi. In pri segrevanju se skrči. Ko temperatura vode doseže 4°C, ima voda v tem trenutku največjo gostoto, ki je enaka 1000 kg/m3. Če je temperatura pod ali nad to oznako, je gostota vedno nekoliko manjša.

Zahvaljujoč tej lastnosti, ko temperatura zraka jeseni in pozimi pade, se v globokih rezervoarjih pojavi zanimiv proces. Ko se voda ohladi, se spusti nižje na dno, vendar le dokler njena temperatura ne doseže +4°C. Prav zaradi tega je v velikih vodnih telesih hladnejša voda bližje površini, toplejša voda pa potone na dno. Torej, ko površina vode pozimi zamrzne, globlje plasti še naprej ohranjajo temperaturo 4 °C. Zahvaljujoč temu trenutku lahko ribe varno prezimijo v globinah ledenih rezervoarjev.

Vpliv širjenja vode na podnebje

Izjemne lastnosti vode pri segrevanju resno vplivajo na zemeljsko podnebje, saj je približno 79 % površine našega planeta prekrite z vodo. Zaradi sončnih žarkov se segrejejo zgornje plasti, ki se nato spustijo nižje, na njihovem mestu pa se pojavijo hladne plasti. Ti pa se postopoma segrevajo in potonejo bližje dnu.

Tako se plasti vode nenehno spreminjajo, kar povzroči enakomerno segrevanje, dokler ni dosežena temperatura, ki ustreza največji gostoti. Potem, ko se segrejejo, postanejo zgornje plasti manj goste in se ne pogrezajo več navzdol, ampak ostanejo na vrhu in preprosto postopoma postanejo toplejše. Zaradi tega procesa se ogromne plasti vode zlahka segrejejo s sončnimi žarki.

Obdaja nas voda, sama po sebi, kot del drugih snovi in ​​teles. Lahko je v trdni, tekoči ali plinasti obliki, vendar je voda vedno okoli nas. Zakaj na cestah poka asfalt, zakaj na mrazu poči stekleni kozarec vode, zakaj se v mrazu zarosijo stekla, zakaj letalo na nebu pušča belo sled - na vse to bomo iskali odgovore. in drugi "zakaj" v tej lekciji. Spoznali bomo, kako se spremenijo lastnosti vode pri segrevanju, ohlajanju in zmrzovanju, kako nastanejo podzemne jame in bizarne figure v njih, kako deluje termometer.

Tema: Neživa narava

Lekcija: Lastnosti tekoče vode

V svoji čisti obliki voda nima okusa, vonja in barve, vendar skoraj nikoli ni taka, saj aktivno raztaplja večino snovi v sebi in se povezuje z njihovimi delci. Voda lahko prodre tudi v različna telesa (znanstveniki so našli vodo celo v kamnih).

Če napolnite kozarec z vodo iz pipe, bo videti čist. A v resnici gre za raztopino številnih snovi, med katerimi so plini (kisik, argon, dušik, ogljikov dioksid), različne nečistoče v zraku, raztopljene soli iz zemlje, železo iz vodovodnih cevi, drobni neraztopljeni delci prahu. itd.

Če kapljate kapljice vode iz pipe na čisto steklo in pustite, da izhlapi, bodo ostale komaj vidne lise.

Voda rek in potokov ter večina jezer vsebuje različne nečistoče, na primer raztopljene soli. Teh pa je malo, saj je ta voda sladka.

Voda teče po tleh in pod zemljo, polni potoke, jezera, reke, morja in oceane ter ustvarja podzemne palače.

Prebijajoč se skozi lahko topne snovi, voda prodira globoko pod zemljo in jih vzame s seboj ter skozi reže in razpoke v skalah, oblikuje podzemne jame, kaplja z njihovih streh in ustvarja nenavadne skulpture. Milijarde vodnih kapljic izhlapijo v stotih letih, v vodi raztopljene snovi (soli, apnenec) pa se usedejo na jamske oboke in tvorijo kamnite žledu, imenovane kapnike.

Podobne tvorbe na dnu jame imenujemo stalagmiti.

In ko stalaktit in stalagmit zrasteta skupaj, da tvorita kamniti steber, se temu reče stalagnat.

Pri opazovanju ledu na reki vidimo vodo v trdnem (led in sneg), tekočem (teče pod njim) in plinastem stanju (drobni delci vode, ki se dvigajo v zrak, imenujemo jih tudi vodna para).

Voda je lahko v vseh treh agregatnih stanjih hkrati: v zraku je vedno vodna para in oblaki, ki so sestavljeni iz vodnih kapljic in ledenih kristalov.

Vodna para je nevidna, vendar jo zlahka zaznamo, če pustimo kozarec vode ohlajen v hladilniku eno uro v toplem prostoru, na stenah kozarca se takoj pojavijo kapljice vode. Ob stiku s hladnimi stenami kozarca se vodna para, ki jo vsebuje zrak, pretvori v vodne kapljice in se usede na površino kozarca.

riž. 11. Kondenzacija na stenah hladnega kozarca ()

Iz istega razloga se notranjost okenskega stekla v hladni sezoni zarosi. Hladen zrak ne more vsebovati toliko vodne pare kot topel zrak, zato se del kondenzira – spremeni v vodne kapljice.

Tudi bela sled za letalom, ki leti v nebo, je posledica vodnega kondenza.

Če ogledalo približate ustnicam in izdihnete, bodo na njegovi površini ostale drobne kapljice vode, kar dokazuje, da človek pri dihanju z zrakom vdihava vodno paro.

Ko se voda segreje, se "razširi". To lahko dokažemo s preprostim poskusom: stekleno cev spustimo v bučko z vodo in izmerimo nivo vode v njej; nato smo bučko spustili v posodo s toplo vodo in po segrevanju vode ponovno izmerili nivo v epruveti, ki se je opazno dvignil, saj voda pri segrevanju poveča prostornino.

riž. 14. Bučka s cevko, številka 1 in črta označujeta začetni nivo vode

riž. 15. Bučka s cevko, številka 2 in črta označuje nivo vode pri segrevanju

Ko se voda ohladi, se "stisne". To lahko dokažemo s podobnim poskusom: v tem primeru smo bučko s cevjo spustili v posodo z ledom, po ohlajanju pa se je nivo vode v epruveti zmanjšal glede na prvotno oznako, ker se je volumen vode zmanjšal.

riž. 16. Bučka s cevko, številko 3 in črto označuje nivo vode med ohlajanjem

To se zgodi zato, ker se delci vode, molekule, pri segrevanju hitreje gibljejo, trčijo med seboj, se odbijajo od sten posode, razdalja med molekulami se poveča, zato tekočina zavzame večjo prostornino. Ko se voda ohladi, se gibanje njenih delcev upočasni, razdalja med molekulami se zmanjša in tekočina potrebuje manjšo prostornino.

riž. 17. Molekule vode pri normalni temperaturi

riž. 18. Molekule vode pri segrevanju

riž. 19. Molekule vode med ohlajanjem

Takšne lastnosti nima le voda, tudi druge tekočine (alkohol, živo srebro, bencin, kerozin).

Poznavanje te lastnosti tekočin je privedlo do izuma termometra (termometer), ki uporablja alkohol ali živo srebro.

Ko voda zmrzne, se razširi. To lahko dokažemo, če posodo, napolnjeno z vodo, ohlapno pokrijemo s pokrovom in jo postavimo v zamrzovalnik; čez nekaj časa bomo videli, da bo nastali led dvignil pokrov in šel čez posodo.

To lastnost upoštevamo pri polaganju vodovodnih cevi, ki morajo biti izolirane, da ob zmrzovanju led, ki nastane iz vode, ne poči cevi.

V naravi lahko zmrzovanje vode uniči gore: če se voda jeseni nabere v skalnih razpokah, pozimi zmrzne, pod pritiskom ledu, ki zavzame večjo prostornino kot voda, iz katere je nastal, pa skale pokajo in se sesedejo.

Zmrzovanje vode v razpokah cest vodi do uničenja asfaltnega pločnika.

Dolgi grebeni, ki spominjajo na gube na drevesnih deblih, so rane, ki nastanejo zaradi razpok lesa pod pritiskom zmrzovanja drevesnega soka. Zato lahko v mrzlih zimah slišite prasketanje dreves v parku ali gozdu.

1. Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Svet okoli nas 3. M.: Ballas.
2. Dmitrieva N.Y., Kazakov A.N. Svet okoli nas 3. M .: Založba Fedorov.
3. Pleshakov A.A. Svet okoli nas 3. M.: Izobraževanje.

1. Festival pedagoških idej ().
2. Znanost in izobraževanje ().
3. Javni razred ().

1. Naredite kratek test (4 vprašanja s tremi možnostmi odgovora) na temo “Voda okoli nas.”
2. Izvedite majhen poskus: postavite kozarec zelo hladne vode na mizo v topli sobi. Opišite, kaj se bo zgodilo, pojasnite, zakaj.
3. *Nariši gibanje molekul vode v segretem, normalnem in ohlajenem stanju. Po potrebi napišite napise na svojo risbo.