%d0%9a%d0%b0%d0%ba %d0%b2%d0%be%d0%b4%d0%b0 %d0%bf%d1%80%d0%b5%d0%b2%d1%80%d0%b0%d1%89%d0%b0%d0%b5%d1%82%d1%81%d1%8f %d0%b2 %d0%bb%d0%b5%d0%b4
Физика

Как вода превращается в лед?

328
8 месяцев назад
535

Ею покрыт примерно 71% поверхности Земли, без нее человек проживает не более 7–10 дней, а привычному всем названию соответствует научный термин — оксид водорода. Все это относится к основе любого живого организма — воде. Так называемых агрегатных состояний воды принято различать всего 3 — газообразное, жидкое, твердое. Превращение воды в лед, то есть, переход из жидкого или газообразного состояния в твердое, является достаточно сложным химическим процессом, который принято называть кристаллизацией.

Интересные факты о воде

Покрываемая водой площадь земли не отображает ее точное количество. Если бы земля имела ровную поверхность без выпуклостей и впадин, то она была бы покрыта водой полностью слоем в 3 км. Более того, любое живое существо, в том числе и человек, состоит из воды примерно на 50%. Установлено, что находящееся в мантии Земли количество воды превышает запасы Мирового океана в 10 раз. Даже приблизительное количество воды во Вселенной ученые озвучить пока не в состоянии. Помимо этого:

  • в химии существуют термины сухая и тяжелая вода;
  • ее появление в мантии Земли началось не позже 2,7 млрд лет назад;
  • в горячем (теплом) виде она замерзает быстрее, чем в холодном (Эффект Мпембы);
  • вода может исполнять функции замедлителя, растворителя, теплоносителя или даже смазочного материала.

Как замерзает вода

Процесс замерзания получил название «кристаллизация». В жидком состоянии структура воды состоит из большого количества молекул, находящихся в непрерывном движении. У этих молекул не получается соединиться в группу под воздействием тепла. То есть, чем выше температура, тем они дальше отдаляются друг от друга. При газообразном состоянии молекулы воды полностью теряют связь друг с другом.

При воздействии низких температур происходит обратный процесс. Движение частиц замедляется, и они становятся все ближе друг к другу, а затем сжимаются в плотную кристаллическую решетку. Установлено, что данная решетка (структура) имеет форму шестигранника, и наиболее привычным ее аналогом является самая обычная снежинка. Следовательно:

  • сильно отдаленные друг от друга молекулы — это ближе к газообразному состоянию;
  • сжатие молекул в одну структуру — кристаллизация (замерзание/застывание) воды;
  • самое привычное состояние — жидкое способно принимать любую форму, но не способно эту самую форму удерживать.

Температура замерзания

Начальная кристаллизация происходит при температуре 0 градусов. В России, как и в большинстве стран Европы, измерение проводится по шкале Цельсия, имеющей 100 делений. Логично, что чем ниже температура, тем быстрее происходит застывание. Так называемая чистая вода не замерзает даже при 10–15 градусах ниже 0. Чистая вода, это не та, которая течет из крана, и даже не та, которую можно пить из горного родника. Речь идет о химическом термине, и данное понятие используется в переносном смысле. Так называют воду, очищенную от пыли, солей, и других веществ и тел лабораторным способом. Дело в том, что частички пыли, солевые соединения и прочие примеси выполняют в воде роль катализатора. При их наличии молекулы сжимаются быстрее. В чистой воде таких примесей нет, поэтому она не замерзает даже при -40 градусах.

Некоторые свойства льда

Воду в твердом агрегатном состоянии более привычно называть льдом. Всего различается 17 видов (фаз) льда, каждый из которых имеет определенную структуру, но эта разница практически на заметна человеческому глазу. Аморфных состояний у него также 3. Лед в несколько раз легче воды в жидком виде, поэтому зимой любой водоем начинает замерзать сверху, и лед остается на поверхности воды. Обладая хорошими теплоизоляционными признаками, лед сверху водоема образует корку и не дает замерзнуть более глубоким слоям воды. Помимо этого:

  • после замерзания вода примерно на 10% увеличивается в объеме, и именно поэтому в зимний период принято внимательно следить за водопроводными трубами или автомобильными радиаторами;
  • в полярных регионах лед является основным строительным материалом, в частности, используется для строительства жилища иглу, являющегося частью культуры некоторых северных народов (в том числе и российских);
  • общие запасы льда на земле превышают показатель в 300 млн кубических километров.

Эффект Мпембы

Высказанное в 1963 году школьником Эрасто Мпембой предположение до сих пор не получило должного объяснения. Почему горячая вода замерзает быстрее холодной — необъяснимый парадокс, о котором впервые писал еще Аристотель.

Несмотря на большое количество противников этой теории, наличие факта отрицать нельзя. Выдвигалось множество версий, но самой жизнеспособной оказалась следующая: горячая вода образует испарения, которые (доказано) замерзают быстрее жидкости. После замерзания эти микрочастицы льда падают в виде дождя на горячую воду, образуя ледяную корку. Соответственно, наблюдается эффект застывания.