Вода – это вещество, которое может наблюдаться в трех агрегатных состояниях. Она может замерзать и быть твердым льдом, она бывает в жидкой форме, и также она присутствует в виде пара – не только в бане, но и в небе, в виде облаков. Однако в рамках данной статьи остановимся на первом ее состоянии, твердом.
Вода замерзает, образуя кристаллики твердого льда. Лед может формировать многокилометровые поверхности, покрывая реки, озера и другие водоемы. При этом он оказывается легче жидкой воды и всегда находится сверху. Замерзает вода из-за понижения температур.
Температуры и агрегатное состояние веществ
Чем выше температуры, тем дальше отстоят между собой молекулы любых веществ. Их отдаление друг от друга приводит к размягчению вещества, которое сначала становится жидким, а потом и вовсе газообразным. Этот процесс можно рассмотреть на примере железа, которое плавится в тигле и обретает жидкую форму. При сильном повышении температур оно может стать и газообразным, то есть, испариться, но для этого температура должна быть по-настоящему высокой.
Вода же при обычной комнатной температуре является жидкостью. При повышении температур она станет паром, а при понижении – льдом. Ведь понижение температуры имеет обратное влияние на молекулы – они сближаются. А при их сближении вещество становится тверже, плотнее. Такого же эффекта можно добиться при механическом прессовании любого вещества- оно станет тверже, опять же из-за сближения молекул.
Интересно:
Почему растворяется сахар?
Что происходит при понижении температур?
Когда на воду оказывается влияние пониженных температур, молекулы сближаются, образуя шестигранные формы. Разумеется, это снежинки , которые являются кристаллами воды. Остывание воды и ее кристаллизация – это фактически синонимы, описывающие один и тот же процесс. Вода начинает кристаллизоваться при температуре в 0 градусов – именно этот момент и взят за нулевую отметку по шкале Цельсия. Если рассматривать американскую шкалу Фаренгейта, то здесь застывание воды будет происходить при 32 градусах.
Но для создания кристаллов воды нужна основа, какие-либо примеси или взвеси, благодаря которым стартует этот процесс. И если вода абсолютно чистая, здесь наблюдается несколько другое явление – порой она застывает только при -40 градусах, а при нуле и других не слишком низких отметках остается жидкой. Однако не замерзает она только в спокойном состоянии. Если ее взболтать при минусовых отметках, она немедленно превратится в лед.
С водой связано множество парадоксов. И кроме уже описанного выше нюанса, необходимо отметить, что лед занимает больше объема, чем жидкая вода, то есть, при замерзании это вещество расширяется, в то время как другие наоборот занимают меньше объема при низких температурах. Именно с расширением воды при формировании льда и связано лопание бочек, труб и других объектов, оставленных на зиму заполненными водой.
На момент замерзания молекулы немного отдаляются друг от друга, что и дает такой эффект. И именно этот фактор, наряду с вмерзшими пузыриками воздуха, делает лед плавучим. Если бы он тонул или формировался со дна, ни одно живое существо в водоемах не смогло бы перезимовать. Но формируясь именно на поверхности, и оставаясь там, лед наоборот сохраняет тепло воды и выполняет защитную функцию в зимнее время, давая животным, растениям и рыбам возможность перезимовать и выжить.
Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче. Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим полям и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь ещё уцелевший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или борозду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет замёрзнуть, и ветер по-прежнему рябит его серую гладь. Но вот уже замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холодную неприветливую землю. Идёт зима.
Тонкая корка льда, образовавшегося сначала у берегов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрачным стеклом льда. Ударили морозы, и лёд стал толстым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна? Обитатели водоёмов должны быть благодарны за это одной из особенностей воды. В чём же заключается эта особенность?
Известно, что кузнец сначала нагревает железную шину, а затем надевает её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина сделается короче и плотно обожмёт обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, нагревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если налить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.
Из этих примеров ясно, что при нагревании тела расширяются; при охлаждении они сжимаются. Это справедливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, - ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.
Подобное движение происходит и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?
Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах - выше или ниже 4 градусов - вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.
В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия - это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.
Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним по-прежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.
Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой температуре одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как увидим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет. Лёгкий слой воды с температурой в нуль градусов отделяет ото льда более глубокие слои тёплой воды.
Но представьте теперь себе, что вода ведёт себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озёра, а может быть и северные моря, в течение зимы промёрзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.
Правда, если зима очень продолжительна и сурова, то многие не слишком глубокие водоёмы могут промёрзнуть до дна. Но в наших широтах это наблюдается крайне редко. Промерзанию воды до дна препятствует и сам лёд: он плохо проводит тепло и защищает собой нижние слои воды от охлаждения.
С наступлением холодов на поверхности озер образуется тоненькая корочка льда, которая является следствием понижения температуры воды до отрицательных значений. Но зимой, когда температура воздуха опускается ниже 30 градусов мороза, на поверхности озер образуется внушительный слой льда, однако полностью крупные озера не промерзают никогда. Почему это происходит?
Оказывается, когда температура воды начинает понижаться, в замкнутых водоемах происходят очень интересные вещи. Пресная вода, по причине уникальной молекулярной структуры, обладает максимальной плотностью при температуре +4ºС. И когда температура воды продолжает понижаться, в озере происходит разделение слоев с разной температурой, образуется сезонный термоклин.
Вода с температурой +1-2°С всегда легче, чем слой воды с температурой +4°С, который расположен на дне. Из-за слабой циркуляции водных масс (а мы помним, что это не река, а именно глубокое озеро) активного перемешивания и выравнивания температуры не происходит. По этой причине вода с температурой около +4 градусов всегда находится в нижней части водоема. Постепенно нарастающий слой льда и более холодная вода в верхней части водоема не дают промерзнуть озеру до дна. Рыбы и другие водные обитатели продолжают жить в озере, не опасаясь превратиться в кусок льда.
Конечно, для мелких озер это правило не работает, и с приходом отрицательных температур они могут промерзнуть до дна. Предусмотрительные рыбы, как правило, заранее покидают такие опасные для зимовки места и уходят в реки или соседние более глубокие озера.
Лед имеет массу положительных свойств, как в технологическом плане, так и жизненным, ведь многие его применяют для разных целей. В жаркий день, ничего не идет так же хорошо, как стакан лимонада с кубиками льда. С помощью льда замораживают продукты, и они хранятся дольше. Например, все любят использовать лед, чтобы сделать домашнее мороженое!Когда наступает холодная пора, температура начинает снижаться. Все ручьи, озера, пруды и даже реки превращаются в ледяные катки при минусовой температуре. Однако многие заметили, что океан при такой температуре не замерзает. Тот, кто бывал зимой на море, вероятно, заметил, что вода не замерзает, при такой температуре как на озерах.
Значит океан никогда не замерзает. Если посмотреть фотографии Северного или Южного Полюса, тогда можно заметить, что в тех местах есть полярные льды. Если океан замерзает в этих областях, то почему подобное не происходит в других местах.
Температура замерзания пресной воды составляет 0° Цельсия или 32° по Фаренгейту. Наличие соли в воде, снижает температуру замерзания. Чем больше соли в воде, тем ниже температура замерзания.
Когда пресная вода замерзает, молекулы воды, состоящие из водорода и кислорода, соединяются вместе в кристаллическую структуру льда. Присутствие соли затрудняет для молекул воды образование такого вещества. Таким образом, соль, которая попадает в структуру молекулы воды, блокирует образование льда. Соль также врезается в лед, выбивая молекулы воды из структуры... тем самым плавя его.
Когда молекулы соли вытесняют молекулы воды, скорость замерзания замедляется. Именно поэтому соль часто применяется на обледенелых дорогах. Она затрудняет замерзание и делает её более безопасной для автомобилистов.
Хотя соленость воды в океане изменяется, часто она содержит около 35 г соли на каждые 1000 условных единиц воды. Этот факт понижает температуру замерзания морской воды до -1.8° Цельсия и 28.8° по Фаренгейту. Таким образом, вода в океане замерзает, но для этого необходимо достижение более низких температур.
Еще один фактор, который влияет на замерзание морской воды связан с перемещением. В отличие от водоёма, океанские волны находятся в постоянном движении, также присутствуют подводные течения. Это помогает воде сохранять тепло. В результате, только в очень холодных областях, например, на Северном или Южном полюсе, как правило, образуется достаточно низкая температура, которая способна заморозить воду.
Следует заметить, что только небольшая часть воды океанов замерзает. Молекулы соли опускаются ниже поверхности льда. В результате, полярные льды представляют собой пресноводный лед, который может быть растоплен для питьевой воды!
Около 15% мирового океана покрывает морской лед, по крайней мере, определенную часть года. На первый взгляд не так и много, но данная территория составляет около 10 миллионов квадратных километров морского льда.
С наступлением холодов на поверхности озер образуется тоненькая корочка льда, которая является следствием понижения температуры воды до отрицательных значений. Но зимой, когда температура воздуха опускается ниже 30 градусов мороза, на поверхности озер образуется внушительный слой льда, однако полностью крупные озера не промерзают никогда. Почему это происходит?
Оказывается, когда температура воды начинает понижаться, в замкнутых водоемах происходят очень интересные вещи. Пресная вода, по причине уникальной молекулярной структуры, обладает максимальной плотностью при температуре +4ºС. И когда температура воды продолжает понижаться, в озере происходит разделение слоев с разной температурой, образуется сезонный термоклин.
Вода с температурой +1-2°С всегда легче, чем слой воды с температурой +4°С, который расположен на дне. Из-за слабой циркуляции водных масс (а мы помним, что это не река, а именно глубокое озеро) активного перемешивания и выравнивания температуры не происходит. По этой причине вода с температурой около +4 градусов всегда находится в нижней части водоема. Постепенно нарастающий слой льда и более холодная вода в верхней части водоема не дают промерзнуть озеру до дна. Рыбы и другие водные обитатели продолжают жить в озере, не опасаясь превратиться в кусок льда.
Конечно, для мелких озер это правило не работает, и с приходом отрицательных температур они могут промерзнуть до дна. Предусмотрительные рыбы, как правило, заранее покидают такие опасные для зимовки места и уходят в реки или соседние более глубокие озера.
