что делает вода при нагреве
Почему при росте температуры от 0°C до 4°C вода сжимается
Практически все вещества при нагревании расширяются. Но не вода: в интервале от нуля до четырех градусов она сжимается. Выяснить, почему так происходит, ученые пытались еще в XIX веке, но удалось это сделать только в начале XXI века
Если вещество сжимается, а не расширяется при нагревании, это значит, что оно обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Таким свойством в определенном температурном интервале обладают, например, висмут, галлий, кремний и сурьма. Но это твердые материалы, и объяснить сжатие можно изменением внутренней структуры, в ходе которой кристаллическая решетка при увеличении энергии атомов упаковывается более плотно.
Но как объяснить появление такого сжатия у воды? Первая теория, которая хоть как-то объясняла это явление, основывалась на том, что при такой температуре вода состоит из «нормальной» и «льдоподобной» фаз. Впервые такая модель была предложена в XIX веке, но позже ее усовершенствовали и нашли экспериментальные подтверждения.
Исследователи пришли к выводу, что при температуре, близкой к нулю, в воде существует два типа нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Когда эти структуры плавятся при температуре от 0°C до 4°C, они образуют воду разной плотности, из-за чего и происходит сжатие.
Но на самом деле все оказалось не так просто. В 2009 году ученые выяснили настоящую причину такого поведения воды. Объем воды определяется расстоянием между молекулами H2O, которое регулируется длиной водородных связей. В жидком состоянии молекулы воды обычно объединяются в небольшие кластеры, обычно по пять штук.
Компьютерное моделирование показало, что с ростом температуры длина водородных связей действительно растет, увеличивая объем вещества. Но в диапазоне от 0°C до 4°C уменьшается размер кластеров — они состоят не из пяти, а из трех частиц. В результате размер отдельных элементов системы уменьшается, и они плотнее прилегают друг к другу.
Что делает вода при нагреве
Вода реагирует, как и любое другое соединение, на изменение температуры, но аномалия возникает в узком диапазоне вокруг точки плавления, и это изменение имеет большое значение. Когда вы нагреваете лед, молекулы приобретают кинетическую энергию, и лед расширяется, пока не растает. Но как только весь лед превратился в воду, и температура снова начинает расти, расширение прекращается. Между 32 и 40 градусами по Фаренгейту (от 0 до 4 градусов по Цельсию), расплавленная вода фактически сжимается при повышении температуры. После 40 F (4 C) он снова начинает расширяться. Это явление делает лед менее плотным, чем вода вокруг него, поэтому лед плавает.
Расширение льда, воды и пара
Как твердое тело, лед может расширяться только линейно, что означает, что длина и ширина кубика льда может изменяться. Коэффициент линейного расширения для льда, который измеряет дробное изменение длины и ширины на градус Кельвина, является постоянной величиной 50 x 10-6 ÷ K. Это означает, что лед расширяется в одинаковом количестве с каждой степенью тепла, которую вы к нему добавляете.
Критическая аномалия
В точке плавления вода демонстрирует характеристику, не имеющую других аналогов. Вместо того, чтобы продолжать расширяться в жидком состоянии, он сжимается, и его плотность увеличивается, пока не достигнет максимума при 40 F (4 C). От точки плавления до этой критической точки коэффициент расширения отрицателен, а в точке максимальной плотности коэффициент расширения равен 0. Если температура продолжает расти, коэффициент расширения снова становится положительным.
Если вы измените температурный градиент и охладите воду до точки замерзания, она начнет расширяться при 40 F (4 C) и продолжит расширяться до замерзания. Это причина, по которой водопроводные трубы лопаются в морозную погоду, и почему вы никогда не должны ставить стеклянную бутылку с водой в морозильник.
Что происходит с водой при нагревании
Содержание статьи
Удивительные свойства воды
Воде присущи поразительные свойства, которые сильно отличают ее от прочих жидкостей. Но это и хорошо, иначе, обладай вода «обычными» свойствами, планета Земля была бы абсолютно другой.
Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.
Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.
При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.
Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.
Влияние расширения воды на климат
Исключительные свойства воды при нагревании серьезным образом влияют на климат Земли, поскольку около 79% поверхности нашей планеты покрыто водой. За счет солнечных лучей происходит нагревание верхних слоев, которые затем опускаются ниже, а на их месте оказываются холодные слои. Те тоже, в свою очередь, постепенно нагреваются и опускаются ближе ко дну.
Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.