При якій температурі замерзає вода в озері — лід при 0 градусів

Роза при якій температурі замерзає

Глибока осінь. Дні стають все коротшими і коротшими.
* Сонце вигляне на хвилину через важкі хмар, скользнет по земля власним косим променем і знову сховається. Холодний вітер вільно гуляє по спорожнілих полях і оголеного лісі, вишукуючи де-небудь висохлий квітка або притиснувшийся до гілки лист, щоб зірвати його, високо підняти і потім кинути в рів, канаву або борозну. По ранку калюжі вже покриваються хрусткими крижинками. Тільки глибока водойма все ще не бажає змерзнути, і вітер як і раніше рябить його сіру гладь. Але ось замиготіли пухнасті сніжинки. Вони довго крутяться в повітрі, як би не наважуючись впасти на холодну непривітну землю. Йде зима …
Тонка кірка льоду, що з’явилася спочатку біля берегів водойми, повзе на середину до більш глибоких місцях, і незабаром вся поверхня покривається чистим прозорим крижаним склом. Вдарили морози, і лід став товстим, мало не в метр. Втім до дна ще далеко. Під льодом навіть у сильні морози зберігається вода. Чого ж глибока водойма не мерзне до дна?
Відомо, що коваль нагріває залізну шину, перед тим як одягнути її на дерев’яний обід колеса. Охолодившись, шина робиться коротше і щільно обжимають обід. Рейки ніколи не лягають щільно один до одного, інакше, нагрівшись на сонці, вони обов’язково вигнута. Якщо налити повну пляшку олії і поставити її в теплу воду, то масло стане переливатися через край.
З даних прикладів ясно, що при нагріванні тіла розширюються, а, при охолодженні стискаються. Це справедливо практично для всіх тіл, однак для води цього не можна говорити беззастережно. На відміну від інших тіл вода при нагріванні поводиться по-особливому. Якщо при нагріванні тіло стає ширше, значить, воно стає менш ущільненим, — адже речовини в цьому тілі залишається так само, а обсяг його збільшується. При нагріванні рідин в прозорих судинах можна спостерігати, як набагато тепліше, і тому меншої щільності, шари піднімаються з дна вгору, а холодні опускаються вниз. На цьому засновано, до речі, пристрій водяного. опалення з конвективного циркуляцією води. Остигаючи в радіаторах, вода стає щільніше, опускається вниз і надходить в котел, витісняючи вгору вже нагріту там і тому менш щільну воду.
Такий рух відбувається восени та в водойми. Віддаючи своє тепло холодному повітрю, вода охолоджується з поверхні водойми і, як набагато щільніше, прагне опуститися на дно, витесцяя собою знаходяться знизу теплі, меншої щільності шари. Втім подібний рух буде відбуватися тільки до того часу, поки вся вода не охолоне до температури плюс 4 градуси. Зібралася на дні при 4 градусах вода вже не буде підніматися вгору, хоча б поверхневі її шари і мали температуру більше невисоку. чому?
Вода при 4 градусах має найвищу щільність. При всіх інших температурах — вище або нижче 4 градусів — вода виявляється менш щільною, ніж при цій температурі.
В цьому і полягає одна з відступів води від закономірностей, загальних для інших рідин, одна з її аномалій (аномалія — ​​це відхилення від норми). Щільність всіх інших рідин, в основному, починаючи від температури плавлення, при нагріванні зменшується.
Що ж станеться далі при охолодженні водойми? Верхні шари води стають все менш і менш щільними. З цієї причини вони залишаються на поверхні і при нулі градусів перетворюються в лід. У міру подальшого охолодження кірка льоду росте, а під нею лопрежнему знаходиться рідка вода з температурою, що лежить між нулем і 4 градусами.
Тут, можливо, у більшості постане питання: чого ж нижня кромка льоду не тане, якщо вона знаходиться в зіткненні з водою? Завдяки тому, що той шар води, який конкретно стосується з нижньою крайкою льоду, має температуру нуль градусів. При цій температурі одночасно є і лід і вода. для того щоб лід перетворився в воду, потрібно, як побачимо далі, велика кількість тепла. А цього тепла немає »Невеликий шар води з температурою в нуль
Градусів розділяє від льоду глибші шари теплої води.
Однак зараз тільки уявіть, що вода поводиться так, як більшість інших рідин. Досить було б несуттєвого морозу, як все річки, озера, а може бути, і північні моря, протягом зими промерзла б до дна. Більшість з живих істот царства під водою були б приречені на смерть.
Правда, якщо зима дуже довга і жорстока, то багато хто не дуже глибокі водойми дійсно промерзають до дна. Однак в наших широтах це зустрічається дуже рідко. Промерзання води до дна перешкоджає і сам лід: він погано пропускає тепло і оберігає собою нижні шари води від подальшого охолодження. Жителі водойм повинні бути вдячні воді за цю особливість.
За час з 1949 по 1955 рік у нас виникне більше 40 тисяч нових водойм і водойм. Під час будівництва водойм, в яких передбачається розводити рибу, береться до уваги можливість обмерзання їх до дна в суворі зими. З цієї причини водойми, в яких буде розлучатися риба, влаштовують якомога більш глибокими.

При нулі градусів за шкалою Цельсія вода замерзає або тане?

Якщо лід теж вважати водою (замерзлої), то на що з’явився питання можна дати три різних відповіді — все залежить, як кажуть, «від умов експерименту». Передбачається, що тиск недалеко до атмосферного (в будь-якому разі, не вакуум).
Перший випадок. Лід плаває у воді при нульовій температурі, система досить добре термоізольованого, в посудині щільна кришка, вода не вивітрюється. Такий стан називається байдужим рівновагою. Іншими словами лід не тане, вода не замерзає.
Другий варіант. Те ж саме (лід плаває у воді, температура 0 ° С), але це все знаходиться (наприклад, в каструлі) на столі в кімнаті. В даному випадку теплова енергія зовні (як правило від повітря) буде надходити до води і льоду, і лід буде танути, поки повністю не розтане. При цьому температура в каструлі мінятися не буде — якщо є змішування. Без нього трапиться розшарування: тепліша вода буде опускатися на дно каструлі, а більш холодна підніматися вгору, туди, де плаває лід. Після того, як весь лід розтане, вода і каструля будуть плавно нагріватися до домашньої температури.
3-ий випадок. Лід і вода в каструлі знаходяться в умовах, коли теплова енергія подається від каструлі, води і льоду назовні. Наприклад, каструлю виставили під час зими на холод (температура менше нуля) або поставили в морозилку. В даному випадку вода буде замерзати, однак якщо зміст розмішувати, то температура ще не замерзлої води, як і льоду, буде також нульовий. Після замерзання всієї води в каструлі температура льоду в ній почне зменшуватися, поки не стане рівною температурі навколишнього повітря.

Що впливає на градус замерзання

Уявімо, що у нас є ідеальне середовище з температурою рівно 0 ° C — відомо всім, що вода замерзає власне при цьому градусі — і в цю середу ми поміщаємо шматочок льоду і воду в рідкому стані. Що станеться? Власне, нічого: вода не замерзне, а лід не почне танути. Просте пояснення в тому, що в цій моделі немає умов для фазового переходу.
Звичайними словами: крім зменшення температури до конкретного градуси, на замерзання води впливають і інші фактори. Один з них — атмосферний тиск, який створюється гравітаційним притяганням повітря до Земля. І температура замерзання води знаходиться в прямій залежності від тиску.
Розглянемо це на прикладі: чим вище ми піднімаємося над рівнем моря, нижче стає атмосферний тиск і тим вище повинна бути температура для кристалізації води. На висоті в 1000 метрів вода замерзає при температурі +2 ° C; піднявшись ще на кілометр, ми побачимо, що вода кристалізується вже при +4 ° C.

наявність домішок

Також, крім тиску і температури, на замерзання води впливає її складу: в ній в тому чи іншому кількості знаходяться органічні і мінеральні частинки, іншими словами шматочки глини, піску, пилу. Коли температура у зовнішньому середовищі зменшується до потрібного градуса, навколо даних частинок з’являються кристали: шматочки пилу, піску, каменю виконують роль ядерного центру, біля якого починається процес кристалізації.
А в дистильованої (очищеної) воді процес замерзання протікає інакше: оскільки в ній немає потенційних ядер кристалізації, вода може охолонути до мінусової температури, однак не замерзнути.
Отже, час замерзання води залежить від наступних факторів:

  • атмосферний тиск у зовнішньому середовищі;
  • Температура навколишнього середовища;
  • кол-во рідини;
  • її хімічний склад;
  • в якої ємності знаходиться H2O (чи ні посуду).

Температура замерзання води

Чому вода замерзає? Звичайна вода завжди містить певну кількість зважених часток мінерального або органічного походження. Це можуть бути дуже дрібні частинки глини, піску або домашнього пилу.
Коли температура повітря опускається до конкретних значень, ці частинки беруть на себе роль центрів, навколо яких починають виникати кристали льоду.
Ядрами кристалізації можуть стати також бульбашки повітря, і ще тріщини і пошкодження на стінках посудини, в якому знаходиться вода. Швидкість процесу кристалізації води в більшості випадків визначається кількістю даних центрів: чим їх більше, тим швидше замерзає рідина.
У традиційних умовах (при нормальному тиску атмосфер) температурою фазового переходу води з рідкого стану в тверде вважається відмітка 0 градусів за шкалою Цельсія. Власне при подібній температурі відбувається замерзання води на вулиці.

Чому гаряча вода замерзає швидше холодної?

Гаряча вода замерзає швидше холодної — на цей феномен увагу звернув Ераста Мпемби — учень початкової школи з Танганьїки. Його експерименти з масою для приготування морозива показали, що швидкість замерзання підігрітою маси значно більше, ніж холодної.
Однією з причин цього цікавого явища, що отримало назву «парадокс Мпемби», вважається більш висока віддача тепла гарячої рідини, і ще наявність в ній великої кількості ядер кристалізації якщо порівнювати з холодною водою.

Чи пов’язані температура замерзання води і висота?

При зміні тиску, часто пов’язаного з перебуванням на різній висоті, температура замерзання води починає кардинально відрізнятися від типової, характерної для звичайних умов. Кристалізація води на висоті відбувається при наступних температурних значеннях:

  • як не дивно, на висоті 1000 м вода замерзає при 2 градусах тепла за Цельсієм;
  • на висоті 2000 метрів це відбувається вже при 4 градусах тепла.

Найбільша температура замерзання води в горах зустрічається на висоті понад 5000 тисяч метрів (наприклад, в Фанські горах або на Памірі).

Як тиск впливає на процес кристалізації води?

Давайте спробуємо пов’язати динаміку температурні зміни замерзання води зі зміною тиску.

  • При тиску 2 атм вода замерзне при температурі -2 градуси.
  • При тиску 3 атм самим початком замерзання води стане температура -4 градуси за шкалою Цельсія.

При дуже високому тиску температура початку процесу кристалізації води знижується, а температура кипіння збільшується. При низькому тиску виходить діаметрально протилежна картина.
Власне тому в умовах високогір’я і розрідженій атмосфери дуже складно зварити навіть яйця, оскільки вода в казанку закипає вже при 80 градусах. Ясно, що при подібній температурі приготувати їжу просто неможливо.
При великому тиску процес плавлення льоду під лезами ковзанів відбувається навіть при дуже малих температурах, але власне завдяки йому ковзани ковзають по крижаній поверхні.
Подібним чином пояснюється примерзанню полозів сильно навантажених НАРТ в оповіданнях Джека Лондона. Важкі нарти, що тиснуть на сніг, викликають його плавлення. Утворюється при цьому вода полегшує їх ковзання. Але варто нартам зупинитися і затриматися довгий час на одному місці, як витіснена вода, замерзнувши, приморозить полози до дороги.

Температура кристалізації розчинів води

Будучи прекрасним розчинником, вода легко вступає в реакції з різними органічними і неорганічними речовинами, організовуючи масу часом несподіваних хімічних сполук. Звичайно, будь-яка з них буде замерзати при найрізноманітніших температурах. Відобразимо це в наочному списку.

  • Температура замерзання суміші спирту і води залежить від процентного співвідношення в ній двох елементів. Чим більше води додано в розчин, тим ближче до нуля температура його замерзання. Якщо ж в розчині більше спирту, процес кристалізації почнеться при значеннях, близьких до -114 градусів. Необхідно знати, що фіксованої температури замерзання водно-спиртові розчини не мають. У більшості випадків говорять про температуру початку процесу кристалізації і температурі остаточного переходу в твердий стан. Між самим початком утворення перших кристалів і повним завмиранням спиртового розчину лежить температурний інтервал величиною в 7 градусів. Так, температура замерзання води зі спиртом 40% концентрації на початковій стадії становить -22,5 градуса, а кінцевий перехід розчину в тверду фазу трапиться при -29,5 градусах.

Температура замерзання води з сіллю знаходиться в глибокій зв’язку зі ступенем її солоності: чим більше солі в розчині, тим при набагато низькому положенні ртутного стовпчика він замерзне.
Щоб провести вимірювання солоності води застосовують особливу одиницю — «проміле». Отже, ми встановили, що температура замерзання води зі збільшенням концентрації солей знижується. Пояснимо це на прикладі:
Рівень солоності океанської води дорівнює 35 проміле, при цьому середня величина її замерзання становить 1,9 градуса. Ступінь солоності чорноморських вод обчислює 18-20 проміле, з цієї причини замерзають вони при більш високій температурі з діапазоном від -0,9 до -1,1 градуса Цельсія.

  • Температура замерзання води з цукром (для розчину, моляльність якого становить 0,8) дорівнює -1,6 градуса.
  • Температура замерзання води з домішками в більшості випадків залежить від їх кількості та характеру домішок, що входять до складу розчину води.
  • Температура замерзання води з гліцерином залежить від концентрації розчину. Розчин, який містить 80 мл гліцерину, замерзне при -20 градусах, при зниженні вмісту гліцерину до 60 мл процес кристалізації почнеться при -34 градусах, а початок замерзання 20% розчину — мінус п’ять градусів. Як ви встигли помітити, лінійна залежність в такому випадку відсутня. Для замерзання 10% розчину гліцерину буде досить температури -2 градуси.
  • Температура замерзання води з содою (мається на увазі їдкий луг або каустична сода) представляє ще більш таємничу картину: 44% розчин каустику замерзає при +7 градусах Цельсія, а 80% — при + 130.

Замерзання прісних водойм

Процес утворення льоду на прісноводних водоймах відбувається в трохи іншому режимі температур.

  • Температура замерзання води в озері, точно також, як і температура замерзання води в річці, дорівнює нулю градусів за Цельсієм. Замерзання найчистіших річок і струмків починається не з поверхні, а з дна, на якому присутні ядра кристалізації у вигляді частинок донного мулу. Крижаною кіркою спочатку покриваються корчі і рослини в воді. Потрібно тільки донному льоду піднятися на поверхню, як річка швидко мерзне наскрізь.
  • Замерзла вода на Байкалі іноді може охолоджуватися до негативних температур. Відбувається це лише на мілководді; температура води при цьому може становити тисячні, а часом і соті частки одного градуса менше нуля.
  • Температура байкальської води під самою кіркою крижаного покриву, в основному, не буде більше +0,2 градуса. У низьких шарах вона потроху збільшується до +3,2 на дні найглибшої улоговини.

Температура замерзання дистильованої води

Замерзає чи дистильована вода? Нагадаємо про те, що для замерзання води потрібно присутність в ній деяких центрів кристалізації, якими можуть стати повітряні бульбашки, зважені частинки, і ще пошкодження стінок ємності, в якій вона знаходиться.
Дистильована вода, абсолютно позбавлена ​​всяких домішок, не має і ядер кристалізації, а з цієї причини її замерзання починається при дуже малих температурах. Вихідна точка замерзання дистильованої води становить -42 градуси. Вченим вдалося домогтися переохолодження дистильованої води до -70 градусів.
Вода, піддана впливу надто низьких температур, але водночас не кристалізуватися, називається «переохолоджених». Можна, помістивши пляшку з дистильованою водою в морозилку, досягти її переохолодження, а потім показати самий практичний прийом — дивіться у відео:
Тихо стукнувши по пляшці, витягнутої з холодильника, або кинувши в неї маленький шматочок льоду, можна показати, як швидко вона перетворюється на лід, який має вигляд подовжених кристалів.
Дистильована вода: замерзає або немає під тиском ця очищена субстанція? Цей процес можливий лише в спеціально створених умовах лабораторії.

Температура замерзання солоної води

  1. Замерзає чи солона вода? Завдяки великій концентрації солей океанська і вода моря замерзає при температурі -1,9 градуса за шкалою Цельсія.
  2. Температура замерзання води в морях і океанах не має постійного значення, оскільки солоність води в найрізноманітніших морях Світового океану абсолютно різна.
  3. Як температура замерзання океанічної води залежить від її солоності? Між цими величинами існує сама взаємозв’язок. Чим більше солоної вважається вода, тим більше великою щільністю вона володіє, а для замерзання такої води потрібно не висока температура.
  4. Температура в середньому води в морях і океанах -4 градуси.

Температура замерзання індивідуальних морів

При скількох градусах замерзає вода:

  • Каспію? Солоність каспійських вод буде приблизно 13 проміле. Їх замерзання відбувається при -0,5 градуса Цельсія. Товщина крижаного покриву північній частині Каспію буде приблизно 2-х метрів.
  • Азовського моря? Його солона вода замерзає при температурі від -0,5 до -0,7 градусів за Цельсієм. Солоність буде приблизно 11 проміле. Товщина криги, що покривають море в період з грудня по березень, дорівнює одному метру.
  • Японського моря? Чому солона вода цього моря не замерзає? Це можна пояснити високим (близько 34 проміле) рівнем її солоності і географічним положенням моря.
  • Балтійського моря? При солоності, що нараховує всього 6-8 проміле, температура замерзання морської води в Балтиці близька до нуля.

Експрес-відповіді

При скількох градусах замерзає вода:

  1. В опалювальних трубах? У разі виключення опалення або поломки котла опалення в приватному будинку або на дачній ділянці замерзання води в них може статися приблизно через кілька днів при температурі -5 градусів. Відтягнути наступ такого результату допоможе теплова ізоляція труб і інших елементів будівлі. Всередині приміщення для проживання замерзання води в трубах приходить вже при -1 градус. Якщо така температура буде триматися 2-3 дня, це може завершитися розривом труб і батарей опалення.
  2. Під землею? Грунтові води можуть бути рідкими, твердими і пароподібними. Твердою фазою води в грунті вважається лід, який ймовірно буде як багаторічним (в умовах вічної мерзлоти), так і сезонним. Замерзання вод знаходяться в грунті відбувається при температурі менше нуля, оскільки всі вони є не чисту воду, а самі різні її розчини. Величина температури замерзання в більшості випадків залежить від мінералізації вод які знаходяться в грунті.
  3. На льоту? У жителів Якутії є нехитрий спосіб визначення температури навколишнього середовища: вона нижче -42 градусів, якщо випущений людиною плювок встигає замерзнути, не долетівши до землі.
  4. У вакуумі? Зміст пробірки, поставленої під дзвін насоса вакуумного типу при температурі 0 градусів, спочатку закипає, а після випаровування восьмий частини рідини відбувається утворення крижаної кірки на її поверхні.
  5. В автомобільному двигуні? Найбільша температура замерзання води в двигуні може досягти -5 градусів: при більш низьких значеннях кристали льоду просто розірвуть пристрій всередині блоку мотора. Аналогічний вважається температура замерзання води в радіаторі. Такі проблеми в машині можуть з’явитися при умовах недостатнього утеплення перерахованих вище агрегатів, і ще внаслідок занадто дуже тривалої стоянки.
  6. На катку? Залежно від того, які змагання передбачається проводити на льодовій арені, температура поверхні льоду може становити від -3 до -5 градусів. Лід з найбільш високою (від -3 до -4) температурою поверхні підійде для фігурного катання, оскільки власне його м’якість дає можливість забезпечити необхідну силу зчеплення з ковзанами. Більш жорсткий лід, оптимальний для командної гри в хокей, виходить при температурі -5 градусів. На «холодному» льоду зростає швидкість гравців і стає менше можливість утворення сніжної «каші» на його поверхні. Якість льоду насамперед залежить від хімічного складу води, з цієї причини для його заливки застосовують не звичайну рідину з-під крана, а або очищену, або оброблену спеціалізованими кондиціонерами воду.

Фізичні основи утворення льоду

Можливі обидва випадки утворення льоду при охолодженні води: перший, коли в воді відсутні-кристали льоду або ядра для їх появи, другий — коли в охолоджувальної воді вони присутні. Кожен з них має власні особливості утворення льоду. У першому варіанті процес льодоутворення відрізняється особливою складністю і ще недостатньо вивчений. В іншому варіанті процес льодоутворення вельми простий, що дає можливість визначити кількісні залежності товщини і швидкості намораживания льоду від умов охолодження води і встановити, подібним чином, ступінь впливу індивідуальних чинників на даний процес.
У холодильній техніці льодоутворення практично завжди протікає в умовах, коли є необхідні передумови для появи кристалів льоду. Освіта твердої фази з рідкої починається виключно в індивідуальних точках — центрах кристалізації. Зі свого боку освіту первинних центрів кристалізації може бути тільки при переохолодженні рідини. Переохолодженням рідини — називають різниця температур між температурою плавлення твердої фази і температурою, при якій виділяються перші кристали. Після виникнення кристалів температура рідини зростає до температури плавлення. Потреба переохолодження викликається тим, що з’являються угруповання (дисперговані кристали) з упорядкованим розміщенням молекул, близьким до структури кристалів твердої фази, нестійкі. Ці угруповання відповідно до квазікрісталліческая будовою рідини постійно приходять в непридатність під впливом теплового руху молекул. Коли температура рідини стає нижче точки плавлення, вплив теплового руху молекул зменшується.
Втім ці угруповання, що представляють собою лише кілька молекул з правильної кристалічної орієнтуванням, залишаються нестабільними і в умовах переохолодженні. Кристалічна угруповання стає стійкою власне тоді, коли в ній міститься пару сотень молекул. Освіта такого угрупування не може відбуватися мимовільно: воно вимагає змісту в рідини твердих частинок. Стабільність даних груп може з’явитися виключно на поверхні розділу рідини і твердих частинок, так як тут є плівка рідини, що володіє спеціальними якостями молекулярної орієнтації, що відрізняють її від іншої маси рідини.
Під час руху води у охлаждаемой стінки перші кристали повинні виділятися у вигляді тоненького шару льоду, так як у неї знаходиться найбільш переохолоджена плівка рідини, що володіє якостями молекулярної організації, потрібними для утворення стійких угруповань.
Найбільш оптимальними умови будуть тоді, коли теплопередающей стінка по структурі своїй поверхні наближається до структури кристалів льоду і коли передача тепла через стінку проходить активно. З цієї причини шорсткі металеві стінки, особливо мідні, при інтенсивному охолодженні роблять більш прекрасні умови для утворення перших кристалів льоду, ніж гладкі і поліровані, особливо скляні, при повільному їх охолодженні.
При інтенсивному охолодженні води з температурою вище 0 ° С у металевій стінки утворюється тонкий суцільний шар льоду і переохолодження води різко падає до тисячних часток градуса (фактично можна вважати, що переохолодження відсутня). Температура поверхні льоду на кордоні з водою протягом всього наступного процесу охолодження її залишається постійною і рівною 0 ° С. Дійсно, температура плавлення льоду при тиску атмосфер не може бути вище 0 ° С, так як відомо, що мати подвійну фазу речовина в перегрітому стані не може. З іншого боку, температура може зменшуватися лише на тисячні частки градуса. Подібним чином, фактично температура льоду на кордоні може бути прийнята рівною 0 ° С.

Ця Основна особливість процесу намораживания льоду у охлаждаемой стінки, що омивається водою, дає можливість отримати порівняно звичайні розрахункові залежності, що характеризують динаміку намораживания льоду в воді плюсової температури.

джерело: edelweiss-dolina.ru