Замерзання та танення води та льоду Деякі її наслідки. Стаття в лютому 2006 р., Відновлена ​​в лютому 2012 р. Франциско Мартін Леон та Мігель Мартін дель Ріо. Співавтор. Девід Паскуаль Мельго, Паску

води

Франциско Мартін Леон

Замерзання та танення води та льоду
Деякі його наслідки
Стаття від лютого 2006 року, отримана в лютому 2012 року

Франциско Мартін Леон
Мігель Мартін дель Ріо

Співавтор. Девід Паскуаль Мельго, Паску

Мета. Проаналізуйте варіацію температури замерзання та плавлення води та льоду
Складність. Спускатися
Матеріали. Кубики льоду з холодильника, тонка шкіра або шнурок, склянка води, холодна вода, кухонна тканина та сіль
Тривалість. 5 хв.
Небезпека. Нуль Якщо ви неповнолітній, зробіть це з дорослим.

Цей експеримент розділений на дві частини.

І. Візьміть два кубики льоду та кухонний рушник. З’єднайте кубики льоду, щойно вийняті з холодильника, і поставте їх в контакт один з одним на рівній поверхні. Натисніть на них руками, захищаючи себе кухонним рушником приблизно хвилину.

Що сталося з кубиками льоду, коли ви закінчили експеримент? Чому?

II. Випийте склянку холодної водопровідної води і тонку шнурок або шнурок. Занурте середній шматок нитки у воду і вийміть її. Покладіть кубик льоду на воду у склянку: лід буде плисти. Покладіть мокрий шматок струни на лід так, щоб кінці струни виходили зі скла. Частина мотузки або мотузки повинна спиратися на лід. Частину струни, яка лежить на льоду, насипте дрібною сіллю. Нехай пройде хвилина і більше. Через цей час візьміть кінці нитки і підніміть її.

Що сталося і чому?

I частина експерименту

Температура замерзання - це функція тиску при однокомпонентних фазових змінах

Термодинаміка зміни стану з льоду на воду говорить нам, що температура плавлення зменшується при збільшенні тиску. У звичайних умовах лід тане і замерзає при 0ºC, але цього не відбувається, коли тиск, що чиниться на нього, зростає. Зниження температури замерзання або плавлення при тиску, що чиниться на лід, є дуже важливим у певних земних подіях та холодних планетах з водяним льодом.

Коли ми натискаємо два кубики льоду при постійній температурі, вони плавляться, коли ми збільшуємо тиск руками на контактну поверхню. У ті часи між контактними поверхнями утворюється невелика кришка води, яка не замерзає, коли температура замерзання падає.

Звільняючи кубики льоду від тиску, який чинять наші руки, ми повертаємося до нормальних і початкових умов: тиск знижується, шар води знову замерзає, але цього разу при температурі 0ºC, як це було спочатку. Коли тиснеш на лід, він тане, а коли ти припиняєш натискати на воду, він знову замерзає, приєднуючись до обох кубиків льоду через невелику кількість підтопленої води.

Трохи теорії. Рівняння Клапейрона

Температура замерзання зменшується з тиском у рівноважній системі вода-лід. Цей факт впливає на багато видів діяльності та систем людини, іноді залишаючись непоміченим на наших очах:

Вплив тиску і температури

Рівняння Клапейрона дозволяє обчислити нахил лінії рівноваги між двома фазами в однокомпонентній системі. Це рівняння є однією з основ термодинаміки та регулює фазові переходи речовини:

В якій стор - тиск, Т - температура, при якій відбувається перехід, ∆H - це зміна вмісту тепла і ∆V - це зміна гучності, яка відбулася під час переходу або зміни фази.

Це рівняння пов'язує зміни тиску та температури застигання та плавлення з нагріваннями, що беруть участь у зміні фази. Значення та знак другого члена повідомляє нам, як змінюються зміни температури фази, коли ми змінюємо тиск у згаданому перетворенні.

Якщо зосередитись на змінах фази рідина-тверда фаза, рівняння набуде вигляду:

Буття вл Y проти питомі обсяги рідкої та твердої фази, відповідно, і H - приховане тепло, яке використовується для здійснення зазначеної зміни фази. Загалом питомий об'єм рідин більший, ніж твердих речовин, оскільки вони розширюються при таненні. Другий член, як правило, позитивний, а нахил (dp/dT) кривої P-T у фазовій зміні зазвичай позитивний, що перетворюється на:

Підвищення тиску в розплаві або перехід від твердого до рідкого має відповідати підвищенню температури плавлення. Чим вище тиск, якому піддається тверда речовина, загалом, підвищення температури буде відповідати їй, так що тверда речовина стає рідкою. Збільшення тиску, як правило, утримуватиме тверді частинки ближче один до одного, і перехід до рідини буде здійснюватися за рахунок більшого підвищення температури.

Справа з крижаною водою

Вода знову потрапляє за межі цих норм, оскільки питомий об’єм льоду більший, ніж об’єм води, і другий член стає негативним. Таким чином, dp/dT є негативним: коли ми збільшуємо тиск на лід, температура плавлення знижується.

Ці факти дуже добре видно на діаграмах фазових змін різних речовин, оскільки кожна з них має свою. Якщо ми побудуємо діаграму тиск-температура, де речовина співіснує в різні фази, ми отримали б набір кривих відносно твердо-рідинного (червоного), рідко-газового (зеленого) та газо-твердого (блакитного) станів рівноваги. У термодинаміці графічне зображення меж між різними станами речовини, як правило, як функція тиску і температури, називається фазовою діаграмою або діаграмою зміни стану.

Викиди CO2 є тими, які ми представляємо нижче. Ми повинні зауважити, що нахили кольорових кривих (dp/dT) є позитивними, як і в більшості речовин. Якщо зосередитись на змінах фази тверда рідина (червона лінія), то маємо нахил кривої позитивним: збільшення тиску в твердому СО2, як правило, збільшує температуру плавлення, необхідну для переходу в рідину.

Для води фазова діаграма така:

У звичайних умовах при тиску 1 атмосфера температура плавлення становить 0 ° C.Зверніть увагу, що крива крижана вода має негативний нахил (dp/dT). Отже, підвищення тиску в льоду супроводжується зниженням температури плавлення, тобто, лід тане стисненням, на відміну від більшості речовин, що твердіють при стисненні. Для високого тиску лід тане нижче 0 ° C.

Коротше кажучи, коли ти натискаєш лід руками, ми збільшуємо тиск, температура плавлення знижується, змушуючи його танути в зоні контакту двох поверхонь, утворюючи тонкий шар води. Коли ми припиняємо натискати воду між згаданими поверхнями, вона знову замерзає, приєднуючись до використаних кубиків льоду.

II частина експерименту

Будь-яка речовина, розчинена в розчиннику, має тенденцію до зниження точки замерзання розчинника. Що стосується солі, вона, як правило, знижує температуру замерзання води, де вона розчиняється, теоретично до -16 ºC, залежно від концентрації солі, розчиненої у воді. Наприклад, при 5% концентрації солі температура замерзання падає до -3ºC, якщо відсоток становить 10% солі, температура замерзання води буде до -6ºC, а не до 0ºC; чим більше солі ми розчинили, тим нижче температура замерзання розчину. У реальному житті звичайна сіль може знизити температуру замерзання води до -9 ° C -10 ° C. З цієї причини сіль кидають на землю в моменти до і під час снігопадів і уникають утворення шарів льоду та снігу.

Тому, коли ми накладаємо сіль на мотузку, яка лежить на льоду, температура замерзання падає і лід тане. Коли вода утворюється, вона потроху розріджує сіль і виключає ефект зниження точки замерзання, завдяки чому нитка або мотузка замерзають, коли температура замерзання знову збільшується і переходить до значення нормальних умов. Мотузка, замерзла вода та кубик льоду з'єднані між собою. Тепер ми можемо дістати його зі склянки з водою, не більше, ніж розтягуючи кінці.

А тепер ми йдемо з фотографіями цих експериментів, які можна зробити на «кухні».

Співпраця Девіда Паскуаля Мельго, Паску

Ну, зараз у мене було трохи, і я почав це робити. Це чуро, яке я маю.

Частина 1

Далі ми бачимо два кубики льоду і тканину поруч, щоб затягнути, хоча добре, це можна витратити

Два кубики один на інший.

З іншої точки зору

Потім я натиснув на лід, і добре, що, як я очікував, сталося, вони прилипли один до одного. І хлопчику вони пристали. Тоді мені коштувало їх відокремити.

Чому? Ну, я більше не можу це пояснити.

Частина 2

У нас склянка з водою і нитка поруч.

Горщик солі. і щось краще за човном.

Далі ми бачимо лід у воді, центральну частину нитки, що лежить у льоду, і сіль зверху.

Нехай це буде хвилиною і. піднімаємо нитку за кінці.

Як бачимо, нитка прикріплена до льоду. Причина? Я теж не знаю. Вибачте

Примітка. Дякую "Паску" за ваші фотографії та коментарі.

Список літератури

Однокомпонентні фазові переходи. Рівняння Клапейрона.