Замерзание воды при повышенном давлении
При какой температуре замерзает вода? Казалось бы – простейший вопрос, ответить на который может даже ребёнок: температура замерзания воды при обычном атмосферном давлении в 760 мм ртутного столба составляет ноль градусов по Цельсию.
Однако вода (несмотря на чрезвычайно широкую распространённость её на нашей планете) является самой загадочной и не до конца изученной субстанцией, поэтому ответ на этот вопрос требует обстоятельного и аргументированного разговора.
- В России и в Европе температуру измеряют по шкале Цельсия, самое высокое значение которой имеет отметку в 100 градусов.
- Американский учёный Фаренгейт разработал свою шкалу, насчитывающую 180 делений.
- Существует ещё одна единица измерения температуры – кельвин, названная в честь английского физика Томсона, получившего звание лорда Кельвина.
Состояния и виды воды
Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны трансформироваться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).
В зависимости от особенностей происхождения, назначения и состава вода может быть:
- пресной;
- минеральной;
- морской;
- питьевой (сюда же отнесём водопроводную воду);
- дождевой;
- талой;
- солоноватой;
- структурированной;
- дистиллированной;
- деионизированной.
Наличие изотопов водорода делает воду:
- лёгкой;
- тяжёлой (дейтериевой);
- сверхтяжёлой (тритиевой).
Все мы знаем о том, что вода бывает мягкой и жёсткой: этот показатель определяется содержанием катионов магния и кальция.
Каждый из перечисленных нами видов и агрегатных состояний воды имеет свою температуру замерзания и плавления.
Температура замерзания воды
Почему вода замерзает? Обычная вода всегда содержит некоторое количество взвешенных частиц минерального или органического происхождения. Это могут быть мельчайшие частицы глины, песка или домашней пыли.
Когда температура окружающей среды опускается до определённых значений, эти частицы берут на себя роль центров, вокруг которых начинают образовываться кристаллы льда.
Ядрами кристаллизации могут стать также воздушные пузырьки, а также трещины и повреждения на стенках сосуда, в котором находится вода. Скорость процесса кристаллизации воды во многом определяется количеством этих центров: чем их больше, тем быстрее замерзает жидкость.
В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении) температурой фазового перехода воды из жидкого состояния в твёрдое является отметка 0 градусов по Цельсию. Именно при такой температуре происходит замерзание воды на улице.
Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной?
Горячая вода замерзает быстрее холодной – на этот феномен обратил внимание Эрасто Мпемба – школьник с Танганьики. Его эксперименты с массой для приготовления мороженого показали, что скорость замерзания подогретой массы значительно выше, чем холодной.
Одной из причин этого интересного явления, получившего название «парадокс Мпембы», является более высокая теплоотдача горячей жидкости, а также наличие в ней большего количества ядер кристаллизации по сравнению с холодной водой.
Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота?
При изменении давления, часто связанного с нахождением на разной высоте, температура замерзания воды начинает радикально отличаться от стандартной, характерной для обычных условий.
Кристаллизация воды на высоте происходит при следующих температурных значениях:
- как ни парадоксально, на высоте 1000 м вода замерзает при 2 градусах тепла по шкале Цельсия;
- на высоте 2000 метров это происходит уже при 4 градусах тепла.
Самая высокая температура замерзания воды в горах наблюдается на высоте свыше 5000 тысяч метров (например, в Фанских горах или на Памире).
Как давление влияет на процесс кристаллизации воды?
Давайте попробуем увязать динамику изменения температуры замерзания воды с переменой давления.
- При давлении 2 атм вода замерзнет при температуре —2 градуса.
- При давлении 3 атм началом замерзания воды станет температура —4 градуса по Цельсию.
При повышенном давлении температура начала процесса кристаллизации воды понижается, а температура кипения увеличивается. При низком давлении получается диаметрально противоположная картина.
Именно поэтому в условиях высокогорья и разреженной атмосферы весьма трудно сварить даже яйца, поскольку вода в котелке закипает уже при 80 градусах. Понятно, что при такой температуре приготовить пищу попросту невозможно.
При высоком давлении процесс плавления льда под лезвиями коньков происходит даже при очень низких температурах, но именно благодаря ему коньки скользят по ледяной поверхности.
Аналогичным образом объясняется примерзание полозьев сильно нагруженных нарт в рассказах Джека Лондона. Тяжёлые нарты, оказывающие давление на снег, вызывают его плавление. Образующаяся при этом вода облегчает их скольжение. Но стоит нартам остановиться и задержаться продолжительное время на одном месте, как вытесненная вода, замерзнув, приморозит полозья к дороге.
Температура кристаллизации водных растворов
Будучи отличным растворителем, вода легко вступает в реакции с различными органическими и неорганическими веществами, образуя массу подчас неожиданных химических соединений. Разумеется, каждое из них будет замерзать при разных температурах. Отразим это в наглядном списке.
- Температура замерзания смеси спирта и воды зависит от процентного соотношения в ней обоих компонентов. Чем больше воды добавлено в раствор, тем ближе к нулю температура его замерзания. Если же в растворе больше спирта, процесс кристаллизации начнётся при значениях, близких к -114 градусам.
Важно знать, что фиксированной температуры замерзания водно-спиртовые растворы не имеют. Обычно говорят о температуре начала процесса кристаллизации и температуре окончательного перехода в твёрдое состояние.
Между началом образования первых кристаллов и полным застыванием спиртового раствора лежит температурный интервал величиной в 7 градусов. Так, температура замерзания воды со спиртом 40% концентрации на начальном этапе составляет -22,5 градуса, а окончательный переход раствора в твёрдую фазу произойдёт при -29,5 градусах.
Температура замерзания воды с солью находится в тесной связи со степенью её солёности: чем больше соли в растворе, тем при более низком положении ртутного столбика он замёрзнет.
Для измерения солёности воды используют особую единицу – «промилле». Итак, мы установили, что температура замерзания воды с увеличением концентрации солей понижается. Поясним это на примере:
Уровень солёности океанской воды равна 35 промилле, при этом средняя величина её замерзания составляет 1,9 градуса. Степень солёности черноморских вод насчитывает 18-20 промилле, поэтому замерзают они при более высокой температуре с диапазоном от -0,9 до -1,1 градуса Цельсия.
- Температура замерзания воды с сахаром (для раствора, моляльность которого составляет 0,8) равна -1,6 градуса.
- Температура замерзания воды с примесями во многом зависит от их количества и характера примесей, входящих в состав водного раствора.
- Температура замерзания воды с глицерином зависит от концентрации раствора. Раствор, содержащий 80 мл глицерина, замёрзнет при -20 градусах, при снижении содержания глицерина до 60 мл процесс кристаллизации начнётся при -34 градусах, а начало замерзания 20% раствора – минус пять градусов. Как можно заметить, линейная зависимость в данном случае отсутствует. Для замерзания 10% раствора глицерина будет достаточно температуры -2 градуса.
- Температура замерзания воды с содой (подразумевается едкая щёлочь или каустическая сода) представляет ещё более загадочную картину: 44% раствор каустика замерзает при +7 градусах Цельсия, а 80% — при+ 130.
Замерзание пресных водоёмов
Процесс образования льда на пресноводных водоемах происходит в несколько ином температурном режиме.
- Температура замерзания воды в озере, точно так же, как и температура замерзания воды в реке, равна нулю градусов по шкале Цельсия. Замерзание самых чистых речек и ручьев начинается не с поверхности, а со дна, на котором присутствуют ядра кристаллизации в виде частиц донного ила. Коркой льда поначалу покрываются коряги и водные растения. Стоит лишь донному льду подняться на поверхность, как река мгновенно промерзает насквозь.
- Замерзшая вода на Байкале иногда может охлаждаться до отрицательных температур. Происходит это лишь на мелководье; температура воды при этом может составлять тысячные, а иногда и сотые доли одного градуса ниже нуля.
- Температура байкальской воды под самой коркой ледяного покрова, как правило, не превышает +0,2 градуса. В низших пластах она постепенно повышается до +3,2 на дне самой глубокой котловины.
Температура замерзания дистиллированной воды
Замерзает ли дистиллированная вода? Напомним о том, что для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.
Дистиллированная вода, совершенно лишённая всяких примесей, не имеет и ядер кристаллизации, а поэтому её замерзание начинается при очень низких температурах. Начальная точка замерзания дистиллированной воды составляет -42 градуса. Учёным удалось добиться переохлаждения дистиллированной воды до -70 градусов.
Вода, подвергнутая воздействию очень низких температур, но при этом не кристаллизовавшаяся, называется «переохлаждённой». Можно, поместив бутылку с дистиллированной водой в морозильную камеру, добиться её переохлаждения, а затем продемонстрировать очень эффектный трюк — смотрите в видео:
Тихонько постучав по бутылке, извлечённой из холодильника, или бросив в неё небольшой кусочек льда, можно показать, как мгновенно она превращается в лед, имеющий вид удлинённых кристаллов.
Дистиллированная вода: замерзает или нет под давлением эта очищенная субстанция? Такой процесс возможен лишь в специально созданных лабораторных условиях.
Температура замерзания соленой воды
- Замерзает ли соленая вода? Благодаря высокой концентрации солей океанская и морская вода замерзает при температуре -1,9 градуса по Цельсию.
- Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная.
- Как температура замерзания океанической воды зависит от ее солености? Между этими величинами существует самая прямая связь. Чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, а для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.
- Средняя температура воды в морях и океанах -4 градуса.
Температура замерзания отдельных морей
При скольких градусах замерзает вода:
- Каспийского моря? Солёность каспийских вод составляет около 13 промилле. Их замерзание происходит при -0,5 градуса Цельсия. Толщина ледяного покрова северной части Каспия составляет около двух метров.
- Азовского моря? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по шкале Цельсия. Солёность составляет около 11 промилле. Толщина льдов, покрывающих море в период с декабря по март, равна одному метру.
- Японского моря? Почему соленая вода этого моря не замерзает? Это объясняется высоким (около 34 промилле) уровнем её солёности и географическим положением моря.
- Балтийского моря? При солёности, насчитывающей всего 6-8 промилле, температура замерзания морской воды в Балтике близка к нулю.
Экспресс-ответы
При скольких градусах замерзает вода:
- В трубах отопления? В случае отключения отопления или поломки отопительного котла в частном доме или на даче замерзание воды в них может произойти примерно через пару дней при температуре -5 градусов. Отсрочить наступление такого исхода поможет теплоизоляция труб и остальных элементов здания. Внутри жилого помещения замерзание воды в трубах наступает уже при -1 градусе. Если такая температура продержится 2-3 дня, это может закончиться разрывом труб и отопительных батарей.
- Под землей? Подземные воды могут быть жидкими, твёрдыми и парообразными. Твёрдой фазой воды в почве является лёд, который может быть как многолетним (в условиях вечной мерзлоты), так и сезонным. Замерзание почвенных вод происходит при температуре ниже нуля, поскольку все они представляют собой не чистую воду, а всевозможные её растворы. Величина температуры замерзания во многом зависит от минерализации грунтовых вод.
- На лету? У жителей Якутии есть нехитрый способ определения температуры воздуха: она ниже -42 градусов, если выпущенный человеком плевок успевает замёрзнуть, не долетев до земли.
- В вакууме? Содержимое пробирки, поставленной под колокол вакуумного насоса при температуре 0 градусов, сначала закипает, а после испарения восьмой части жидкости происходит образование ледяной корки на её поверхности.
- В двигателе автомобиля? Максимальная температура замерзания воды в двигателе может достичь -5 градусов: при более низких значениях кристаллы льда попросту разорвут внутреннее устройство блока двигателя. Точно такой же является температура замерзания воды в радиаторе. Подобные проблемы в машине могут возникнуть при условии недостаточного утепления вышеперечисленных агрегатов, а также вследствие слишком продолжительной стоянки.
- На катке? В зависимости от того, какие соревнования предполагается проводить на ледовой арене, температура поверхности льда может составлять от -3 до -5 градусов. Лёд с более высокой (от -3 до -4) температурой поверхности подходит для фигурного катания, поскольку именно его мягкость позволяет обеспечить необходимую силу сцепления с коньками.
Более жёсткий лёд, подходящий для командной игры в хоккей, получается при температуре -5 градусов. На «холодном» льду возрастает скорость игроков и уменьшается возможность образования снежной «каши» на его поверхности. Качество льда в первую очередь зависит от химического состава воды, поэтому для его заливки используют не обычную жидкость из-под крана, а либо очищенную, либо обработанную специальными кондиционерами воду.
Loading…
Источник
Daniel
Сообщения: 85 Зарегистрирован: Ср мар 03, 2004 7:35 pm
Замерзание воды при сильном понижении давления
Сообщение
Daniel » Вт фев 20, 2007 10:31 pm
Проводил ли кто-нибудь такой эксперимент: ставим ёмкость с водой под колокол сильного вакуумного насоса и откачиваем воздух. Испарение всё усиливается, а температура падает. При достижении давления < 4 мм рт. ст. (тройная точка) вода замерзает. Если да, опишите его как можно подробнее.
Iskander
Сообщения: 3145 Зарегистрирован: Чт июн 30, 2005 4:45 pm
Сообщение
Iskander » Ср фев 21, 2007 8:12 am
—- При достижении давления < 4 мм рт. ст. (тройная точка) —-
Вай, зачэм так сложно.
По закону Рауля — давление паров над жидкостью зависит от температуры, энтальпии парообразования и наличия в этой жидкости примесей (типа раствора соли)
В этом опыте — переменное только давление. При понижении давления жидкость начнёт интенсивно испаряться, за счёт этого охлаждаться и наконец замёрзнет. Тройная точка здесь совершенно ни к чему. При более низком давлении (0,01 мм) процесс просто пойдёт быстрее.
Теперь о том как это будет выглядеть.
Вы ставите стакан с водой в «колокол», откачиваете, И, ВНИМАНИЕ (!), жидкость из стакана выплёскивется наружу. Обычно вся. Происходит это из-за интенсивного вскипания по всему объёму. Поэтому для таких случаев её предварительно замораживают (лиофильная сушка), либо ставят в центрифугу (спидвак).
Если очень хочется заморозить воду таким способом — берите круглодонную (!) колбу побольше, наливайте в неё воды поменьше и качайте на здоровье.
Ну и конечно ТБ при работе с вакуумом.
Ventura
Сообщения: 57 Зарегистрирован: Ср июн 28, 2006 6:49 pm
Сообщение
Ventura » Ср фев 21, 2007 9:06 pm
А вы случайно не забыли, что температура тройной точки у воды около 0.01 по Цельсию?
Давление очень слабо влияет на температуру плавления льда. Вернее давления не те нужны.
Daniel
Сообщения: 85 Зарегистрирован: Ср мар 03, 2004 7:35 pm
Сообщение
Daniel » Ср фев 21, 2007 9:18 pm
Давление очень слабо влияет на температуру плавления льда. Вернее давления не те нужны
Зато на интенсивность испарения воды давление влияет очень сильно. Температура плавления льда тут ни при чём. Вакуум нужен, чтобы усилить испарение части воды и охлаждение оставшейся.
Вы ставите стакан с водой в «колокол», откачиваете, И, ВНИМАНИЕ (!), жидкость из стакана выплёскивется наружу. Обычно вся. Происходит это из-за интенсивного вскипания по всему объёму
Тогда замедлим откачивание, пока не освободится растворенный в воде воздух. Или вода вскипвет внезапно, а не постепенно?
PS: есть ли подходящий (остаточное давление < 4 мм. рт. ст.) ручной вакуумный насос?
Механизатор
Сообщения: 102 Зарегистрирован: Пн авг 28, 2006 1:02 am
Сообщение
Механизатор » Ср фев 21, 2007 10:51 pm
Daniel писал(а):
PS: есть ли подходящий (остаточное давление < 4 мм. рт. ст.) ручной вакуумный насос?
Есть, обычный медицинский шприц. Вода действительно закипает, особенно тёплая, но не замораживается.
Daniel
Сообщения: 85 Зарегистрирован: Ср мар 03, 2004 7:35 pm
Сообщение
Daniel » Ср фев 21, 2007 11:32 pm
Есть, обычный медицинский шприц. Вода действительно закипает, особенно тёплая, но не замораживается.
Да, я это много раз пробовал. Но, как вы заметили, дело не доходит до замерзания воды. И вообще, поршневой насос не подходит, потому что вакуум заполняется водяным паром и процесс тут же прекращается. Чтобы таким способом воду заморозить, понадобился бы слишком большой поршень. Нужен именно «колокол», позволяющий дальше откачивать и откачивать… Но, как я уже говорил, остаточное давление должно быть ниже тройной точки воды, т.е 4 мм. рт. ст.
Ventura
Сообщения: 57 Зарегистрирован: Ср июн 28, 2006 6:49 pm
Сообщение
Ventura » Ср фев 21, 2007 11:45 pm
Повторяю. Чтобы вода замерзла при таком давлении ее нужно охладить до температуры тройной точки. Неважно как.
Если вы хотите это делать испарением воды, то нужно успевать эти пары быстро откачивать и улавливать ловушкой, иначе масла на форнасос не напасетесь.
В любом случае за счет теплопередачи с-ма будет нагреваться. Термостатируйте и будет вам счастье.
А вообще это зачем? )
Механизатор
Сообщения: 102 Зарегистрирован: Пн авг 28, 2006 1:02 am
Сообщение
Механизатор » Чт фев 22, 2007 3:23 am
Ventura писал(а):
Если вы хотите это делать испарением воды, то нужно успевать эти пары быстро откачивать и улавливать ловушкой, иначе масла на форнасос не напасетесь.
А ловушка без непрерывного откачивания не справится? Всё равно ведь её нужно ставить перед насосом и основной процент воды будет извлекаться ей.
eukar
Сообщение
eukar » Чт фев 22, 2007 8:20 am
Daniel писал(а):
Вы ставите стакан с водой в «колокол», откачиваете, И, ВНИМАНИЕ (!), жидкость из стакана выплёскивется наружу. Обычно вся. Происходит это из-за интенсивного вскипания по всему объёму
Тогда замедлим откачивание, пока не освободится растворенный в воде воздух. Или вода вскипвет внезапно, а не постепенно?
При чем тут воздух, если речь идет о кипении воды?
cynnamoyl
Сообщения: 793 Зарегистрирован: Вс дек 17, 2006 1:03 pm
Сообщение
cynnamoyl » Чт фев 22, 2007 8:31 am
eukar писал(а):[При чем тут воздух, если речь идет о кипении воды?
Наверное первичное вскипание воды обусловлено растворенными газами.
ИСН
Робин Гуд
Сообщения: 8518 Зарегистрирован: Пт окт 10, 2003 3:32 pm
Сообщение
ИСН » Чт фев 22, 2007 9:28 am
Фига. Оно им сопровождается, не более того.
Daniel
Сообщения: 85 Зарегистрирован: Ср мар 03, 2004 7:35 pm
Re: при чем тут воздух?
Сообщение
Daniel » Чт фев 22, 2007 9:30 am
Наверное первичное вскипание воды обусловлено растворенными газами.
Именно это я и имел в виду.
Константин_Б
Сообщения: 2632 Зарегистрирован: Ср мар 22, 2006 9:51 am
Сообщение
Константин_Б » Чт фев 22, 2007 11:18 am
Читая топик возникае лишь один вопрос: «Господа, ну на фига?…»
Daniel
Сообщения: 85 Зарегистрирован: Ср мар 03, 2004 7:35 pm
Сообщение
Daniel » Сб фев 24, 2007 10:39 pm
Читая топик возникае лишь один вопрос: «Господа, ну на фига?…»
Интереса ради. Вода — самый доступный хладоагент на Земле. Было бы интересно заставить воду саму себя заморозить.
PS. Я замораживал воду, выливая в нее из жидкий газ из баллончика для заправки зажигалок. (Конечно, не забывая о ТБ).
Константин_Б
Сообщения: 2632 Зарегистрирован: Ср мар 22, 2006 9:51 am
Сообщение
Константин_Б » Пн фев 26, 2007 8:30 am
Daniel писал(а): Вода — самый доступный хладоагент на Земле. Было бы интересно заставить воду саму себя заморозить.
Это конечно да, но вот тут возникает другая проблема — у воды самая большая теплоёмкость из «доступных хладоагентов на Земле». Так что не только заморозить, а просто охладить до замерзания воду весьма проблематично… Да и нужно ли? Практическая цель не ясна…
Источник
