Замерзание воды под давлением: Ваш браузер устарел

Вода под давлением замерзает при какой температуре

Температура — замерзание — вода

Температура замерзания воды в строительном растворе или бетоне практически должна быть ниже температуры замерзания, соответствующей данной концентрации водного раствора взятой соли, поскольку процесс замерзания происходит и в мелких порах и капиллярах. Кроме того, по мере твердения раствора или бетона с добавкой солей концентрация их меняется ( стр. [1]

Температура замерзания воды с увеличением давления понижается, а не повышается, как этого следовало бы ожидать. [2]

Температура замерзания воды с повышением давления уменьшается, почти линейно. [3]

Температура замерзания воды при нормальном атмосферном давлении принята за нулевую точку шкалы Цельсия, а температура ее кипения — за 100 этой шкалы. [5]

Температура замерзания воды с увеличением давления до 2000 ат понижается, а не повышается. [6]

Температура замерзания воды с увеличением давления по нижается, а не повышается, как этого следовало бы ожидать. [7]

Температура замерзания воды , находящейся в грунте, зависит от степени связанности ее с минеральными частицами грунта и от наличия в ней растворимых солей. При начальной стадии замерзания грунта в нем одновременно содержатся кристаллы льда и вода. Промерзает грунт только через 5 — 20 дней после наступления устойчивых холодов. [8]

Температура замерзания воды при нормальном атмосферном давлении принята за нулевую точку шкалы Цельсия, а температура ее кипения — за 100 этой шкалы. [10]

Температура замерзания воды из-за неточности термометра может не совпадать с нулем на шкале. В этом случае показание термометра, соответствующее температуре замерзания воды, принимается за 0 С ( I в дальнейшем другие температуры отсчитываются от этого показания. [11]

Температура замерзания воды с такой минерализацией составляет 251 К. [12]

Снижение температуры замерзания воды , а также изменение сроков схватывания цементных растворов в сторону их сокращения и улучшения характеристик цемент ного камня достигается усилением минерализации вод. м специальными химическими добавками солей и щелочей. [14]

Снижение температуры замерзания воды определяет количество введенного антифриза: поташа К2С03; хлористого магния MgCl2; хлористого кальция СаС12 и гликоля НО-СН2-СН2-ОН. Например, температура замерзания 20 % — ного водного раствора этиленгликоля составляет — 10 С. [15]

Чистая вода — считается самой лучшей жидкостью, которая отлично очищает и увлажняет организм. Человеческое тело состоит из воды где-то на 70%.

Если вы испытываете усталость, сонливость или вялость, то рекомендуется выпить один стакан теплой воды. По результатам эксперимента, человеку на один килограмм массы тела следует выпивать около 30 мл воды. Поэтому если ваш вес составляет 70 кг, то советуется каждый день потреблять 2,1 л воды. Чтобы удовлетворить потребности организма в жидкости, рекомендуется ежедневно выпивать не менее 1,5 литра воды, можно пить каждые 40-50 минут по пол стакана водички.

Вода обладает многими полезными свойствами и без неё невозможно жизнь на Земле. Все знают, чтобы вода замерзла, температура замерзания должна быть 0 градусов Цельсия, но это в случае нормальных природных условиях.

Стоит отметить, что давление в разных точках земного шара существенно отличается, поэтому температура замерзания воды зависит от определенного показателя давления.

Важно понять тот факт, что чем выше будет давление в окружающей среде, тем больше температура замерзания или наоборот, чем ниже в природной среде давление, тем меньше температура кристализации.

Температура замерзания воды в океанах и морях

Не забывайте учитывать наличие молекул и примесей в воде. Они сильно влияют на температуру замерзания воды. К примеру, солёная вода способна замерзать при очень низких температурах (около -2 градусов Цельсия).

Если взять абсолютно чистую воду, то она может даже не замерзнуть при температуре -70 градусов Цельсия. Кровь рыб обычно замерзает при температуре -1 °С. Многие ученые задавались вопросом, как рыбам удается не замерзнуть при слишком низких температурах. Оказывается, существуют такие виды рыб, которые способны вырабатывать в поджелудочной железе белки. Именно они впитываются кровью и не дают возможности начать процесс кристализации.

Интересные свойства и значения воды

1. Дистиллированная вода является отличным диэлектриком и почти не способна проводить ток.
2. При замерзании и испарении она расширяется.
3. Единственное вещество, которому удается находиться сразу в трёх агрегатных состояниях.
4. Способна растворить практически все вещества на Земле.
5. Ледники содержат в себе около 2/3 части всего мирового запаса пресной воды.
6. Принято считать, что температура замерзания пресной воды составляет 0 градусов по Цельсию, а морская вода замерзает при температуре — -1,8°С.

Моментальная заморозка воды — видео

И вот, начались отрицательные температуры. Сегодня под утро обещают до -3, и уже сейчас на термометре 0.

Выпал снег, и появилась угроза замерзания воды в садовом водопроводе:

Компостная куча и деревья в снегу:

Ветви ели и электрические провода в снегу:

Все сливают воду из летних водопроводов. Я пока не слил, и на то у меня есть две причины — побудительная и рассудительная. Побудительная — не хочется несколько дней до намеченного отъезда в город пользоваться холодным рукомойником. А рассудительная причина объясняет, почему этого можно действительно не делать.

Начну с того, что на даче я живу только в тёплое время года, когда температуры воздуха исключительно положительные. Дом у меня хотя и утеплённый, но по своим теплоизоляционным характеристикам не предназначен для зимнего проживания. Да, он утеплён слоями пенопласта и фольгированной изоляцией, но это утепление недостаточно для существенных температурных минусов. Поэтому и с водопроводом я особенно не стал заморачиваться. Погружной насос в колодце накачивает воду в гидроаккумулятор, находящийся в неотапливаемом хозблоке, по трубе ПНД диаметром 32 мм, а раздача на восемь точек на участке идёт трубами ПНД диаметром 25 мм. Трубы, где они не мешают, лежат прямо на поверхности земли, а в других местах просто слегка углублены в грунт.

Из школьного курса физики я точно знаю, что точка перехода воды из жидкого состояния в твёрдое находится на отметке 0 градусов. Но что-то мне подсказывало, что температура замерзания воды в трубе будет немного ниже. Чётко объяснить причину такого ощущения я не мог, и полез в Интернет, чтобы узнать точно, при какой температуре вода в трубах реально замерзает. И действительно, я нашёл информацию, что для замерзания воды в трубе нужны температуры -5 — -7 градусов, стоящие в течение несколько дней! Не знаю, насколько это правда, но это означало, что, по крайней мере, одну ночь при температуре -3 водопровод точно должен выдержать.

То, что чёрная пластиковая труба ПНД идёт в верхнем плодородном слое земли, в котором продолжают происходить процессы гниения с непременным выделением тепла, внушает мне дополнительный оптимизм. Ну и, наконец, я особенно ничем не рискую — труба ПНД переносит достаточное количество циклов замерзания-оттаивания воды в ней. Максимум что может произойти — ослабнут фитинги, но их всегда можно подкрутить. Гидроаккумулятор стоит хоть в неотапливаемом, но закрытом помещении, что тоже должно способствовать его защите от небольшого минуса. В общем, я решил пока что воду не сливать. Хотя тревожат закрытые шаровые краны, те, что на улице. Пожалуй, это единственное слабое место. Если они не переживут ночь, придётся думать дальше. Но эксперимент есть эксперимент. Завтра отпишусь о результатах (если будет время в перерывах между проливами труб кипятком )))

P.S.: Знаю ещё, что не замерзает текущая вода. Видимо потому, что не успевает выстроится кристаллическая решётка. Ну и если речь о водопроводе, то новые порции воды всегда на несколько градусов теплее нуля. Так, на дне колодца температура воды около +4 градусов. Так что при экстремальном минусе можно немного приоткрыть краники на концах раздаточных водопроводных линий. Главное, чтобы вода в колодце не кончилась )))

А вот статическое давление на температуру замерзания влияет очень слабо. Так, чтобы точку замерзания сместить на 1 градус ниже нуля, нужно 130 атмосфер. В водопроводе же всего около 3 атмосфер. Так что часто встречающийся в Интернете и безбожно растиражированный бред про незамерзающие из-за давления колонки в деревнях — полная чушь. В колонке выше глубины промерзания грунта воды просто нет. Она там появляется только при нажатии на рычаг, и стекает обратно при его отпускании. Чтобы убедиться в этом, достаточно посчитать количество времени, проходящее между нажатием на рычаг и появлением из колонки воды, или просто изучить конструкцию колонки в Интернете.

UPD 18.10.2014 18:10:

Отчитываюсь. Ночью было -1,5 градуса.

1. Трубы ПНД диаметром 32 и 25 мм, проложенные просто по земле, а также слега присыпанные землёй не замёрзли. То же и с трубами рядом со стенами неотапливаемых помещений, расположенных у меня до высоты 150 см. То есть трубы ПНД никакие не замёрзли нигде несмотря на полное отсутствие в них движения воды.
2. Закрытые шаровые краны 15 мм (1/2″) замёрзли, но их не порвало. Очень быстро оттаили после полива их сверху горячей водой.
3. Узкие гибкие подводки и керамические краны рукомойника замёрзли, но тоже быстро оттаили после полива их сверху горячей водой.
4. Гидроаккумулятор 50 литров в неотапливаемом помещении не замёрз.
5. Температура в 30-литровом бойлере, установленном в неотапливаемом душе, за ночь упала с 75 до 45 градусов.

Таким образом констатирую, что несмотря на критичную температуру -1,5 градуса, система выдержала. А вот на участке catslover ситуация иная. Там труба ПНД 25 мм, проложенная в 2 метрах над землёй не замёрзла, а такая же труба, проложенная по забору в 50-80 см над землёй — замёрзла. Возможно, в полуметре над землёй температура ниже, чем на высоте 2 метров, а у самой земли температура снова поднимается за счёт выделения тепла из недр, тепла, накопленного за день, а также за счёт выделения тепла в процессе гниения органики в плодородном слое.

Сейчас температура держится у отметки -0,5 градусов. Ещё утром все шаровые краны и краны уличного умывальника я немножко приоткрыл, чтобы из них тоненькой струйкой сочилась вода. За день они не замёрзли. Надеюсь, что в таком режиме они переживут и ночь. Расход воды небольшой, колодец опустошиться не должен. О том, как система переживёт вторую ночь отрицательных температур, отпишусь завтра.

UPD 19.10.2014 02:10:

В общем, эксперимент пришлось прервать из-за отсутствия достаточного количества воды в колодце )))
У меня из 8 точек разбора воды 7 находятся на улице. Поскольку они все были приоткрыты во избежание порчи шаровых кранов, то за день они высосали у меня весь колодец! Осень была довольно сухая, и дебет колодца сейчас весьма низок. В итоге я слил таки всю воду из системы и вытащил насос.

В следующем году думаю докупить 15 метров ПНД 25 мм и пару шаровых, и разделить всю свою систему на 2 части — дом и всё остальное. При минусах буду сливать всё, кроме линии на дом. Если 7 струек выкачали колодец за 10 часов, то одна струйка выкачает его за 3 дня. Возможно, в этом случае дебет колодца будет достаточным для того, чтобы он успевал восполнять выкаченное. Вот так )

UPD 19.10.2014 17:10:

Интересное наблюдение. Ночью было -7,5 градусов. На бочках лёд около 2 сантиметров, причём и сверху, и на стенках. А вот на дне нет! Значит, тепло от земли идёт. Стало быть, правильно я водопровод по земле проложил, а не по забору. А ведь хотел по забору.

замерзает ли и при какой t°, в зависимости от чего (таблица соотношений)?

Замерзает ли?

При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.

Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.

В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.

Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.

Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.

Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.

Но при этом нет такого давления, при котором бы вода совсем не замерзала. Другое дело, что в лабораторных условиях можно создать такую ситуацию, при которой вода будет замерзать только при -20…-40°С.

Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.

Температура в зависимости от показателя

Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

Как они взаимосвязаны?

При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

Температура, °С	Давление, мПа
0	0,1
-1	1
-2	30
-3	40
-4	50
-5	60
-10	110
-22	210

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.

Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси – пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.

Каково давление замерзающей жидкости?

Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.

Как влияет тип воды?

Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

В ней отсутствуют ядра кристаллизации, и поэтому она замерзает только при очень низких температурах – эксперименты показали, что при -42°С.

Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

В лабораторных условиях проводились эксперименты, при которых давление увеличивали до очень высоких значений, так что дистиллят замерзал только при -70°С.

Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.

Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

Применение знаний в быту человека

В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Сведения об этих показателях и их соотношениях также нужны тем, кто занимается прокладкой отопительных систем. Важны они и для автомобилистов, которым приходится часто сталкиваться с замерзанием жидкости в радиаторе.

Заключение

Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.

Загадки простой воды. Раритетные издания. Наука и техника

Всеволод Арабаджи

Вода вокруг нас

Воде принадлежит огромная роль в природе. В самом деле, ведь именно море явилось первой ареной жизни на Земле. Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского, водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначале организмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствии второй ареной жизни.

Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, мог бы прожить не более 2…3 дней, без питательных же веществ он может жить несколько недель. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96, в водорослях 95…99, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65% (в теле новорожденного до 75, у взрослого 60%). Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%.

В первичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (не более 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее время). Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобождения воды, входящей в состав земных недр. По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10…12 раз больше, чем в Мировом океане. При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71% поверхности планеты и содержит 97,6% известных нам мировых запасов свободной воды. Реки и озера содержат 0,3% мировых запасов свободной воды.

Большими хранилищами влаги являются и ледники, в них сосредоточено до 2,1% мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой. В эпоху оледенения Европы, Канады и Сибири толщина ледяного покрова в горных местностях достигала 2 км. В настоящее время вследствие потепления климата Земли постепенно отступают границы ледников. Это обусловливает медленное повышение уровня воды в океанах.

Около 86% водяного пара поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности морей и океанов и только 14% за счет испарения с поверхности суши. В итоге в атмосфере концентрируется 0,0005% общего запаса свободной воды. Количество водяного пара в составе приземного воздуха изменчиво. При особо благоприятных условиях испарения с подстилающей поверхности оно может достигать 2%. Несмотря на это, кинетическая энергия движения воды в морях составляет не более 2% от кинетической энергии воздушных течений. Происходит это потому, что более трети солнечного тепла, поглощаемого Землей, тратится на испарение и переходит в атмосферу. Кроме того, значительное количество энергии поступает в атмосферу за счет поглощения проходящего через нее солнечного излучения и отражения этого излучения от земной поверхности. Прошедшая же через водную поверхность лучистая энергия Солнца и небесного свода уменьшается в интенсивности наполовину уже в верхнем полуметре воды вследствие сильного поглощения в инфракрасной части спектра.

Очень большое значение в жизни природы имеет то обстоятельство, что наибольшая плотность у воды наблюдается при температуре 4°C. При охлаждении пресных водоемов зимой по мере понижения температуры поверхностных слоев более плотные массы воды опускаются вниз, а на их место поднимаются снизу теплые и менее плотные. Так происходит до тех пор, пока вода в глубинных слоях не достигнет температуры 4°C. При этом конвекция прекращается, так как внизу будет находиться более тяжелая вода. Дальнейшее охлаждение воды происходит только с поверхности, чем и объясняется образование льда в поверхностном слое водоемов. Благодаря этому подо льдом не прекращается жизнь.

Вертикальное перемешивание морской воды осуществляется за счет действия ветра, приливов и изменения плотности по высоте. Ветровое перемешивание воды происходит в направлении сверху вниз, приливное – снизу вверх. Плотностное перемешивание возникает за счет охлаждения поверхностных вод. Ветровое и приливное перемешивания распространяются на глубину до 50 м, на больших глубинах может сказываться действие только плотностного перемешивания.

Интенсивность перемешивания придонных и поверхностных вод способствует их освежению, обогащению кислородом и питательными веществами, необходимыми для развития жизни. Растворенный в воде воздух всегда более богат кислородом, чем воздух атмосферный. Имеющийся в воде кислород оказывает благотворное влияние на развитие в ней жизненных процессов. За счет повышенного количества кислорода в растворенном воздухе погруженные в воду металлы усиленно подвергаются разрушению (коррозии).

При замерзании чистая вода расширяется почти на 10%, у морского льда изменение объема происходит на меньшую величину. Поскольку вода при замерзании расширяется, увеличение внешнего давления понижает температуру ее замерзания; температура плавления льда, наоборот, повышается с давлением. В лабораторных условиях при давлении более 40 тыс. атмосфер можно получить лед, который будет плавиться при температуре 175°C. Теплоемкость и теплота плавления льда уменьшаются с температурой, теплопроводность же почти не зависит от температуры. Когда толщина льда на поверхности водоема достигает 15 см, он становится надежным теплоизолятором между водой и воздухом.

Морская вода замерзает при температуре – 1,91°C. При дальнейшем понижении температуры до – 8,2°C начинается осаждение сернокислого натрия, и только при температуре – 23°C из раствора выпадает хлористый натрий. Так как часть рассола при кристаллизации уходит изо льда, соленость его меньше солености морской воды. Многолетний морской лед настолько опресняется, что из него можно получать питьевую воду. Температура максимальной плотности морской воды ниже температуры замерзания. Это является причиной довольно интенсивной конвекции, охватывающей значительную толщу морской воды и затрудняющей замерзание. Теплоемкость морской воды стоит на третьем месте после теплоемкости водорода и жидкого аммиака.

Иногда вода замерзает при положительной температуре. Такое явление наблюдается в трубопроводах и почвенных капиллярах. В трубопроводах вода может замерзнуть при температуре +20°C. Объясняется это присутствием в воде метана. Поскольку молекулы метана занимают примерно в 2 раза больший объем, чем молекулы воды, они «расталкивают» молекулы воды, увеличивают расстояние между ними, что приводит к понижению внутреннего давления и повышению температуры замерзания. В почвенной влаге аналогичную роль выполняют молекулы белка. За счет влияния белковых молекул температура замерзания воды в почвенных капиллярах может возрасти до +4,4°C.

Снежинки, как правило, бывают в виде шести- и двенадцатилучевых звездочек, шестиугольных пластинок, шестигранных призм. При понижении температуры воздуха уменьшаются размеры образующихся кристаллов и возрастает разнообразие их форм. Особенности роста кристаллов в воздухе связаны с наличием в нем водяного пара.

Все знают, что сода в море соленая. Это зависит от концентрации растворенных в ней солей, но не всем известно, что в разных морях и океанах соленость воды неодинакова. Средняя соленость вод океана составляет 35%; соленость морской воды может изменяться от нуля вблизи мест впадения крупных рек до 40% в тропических морях. Вода для питья должна содержать менее 0,05% растворенных солей. Растения погибают при наличии в поливной воде в виде примеси более 0,25% солей.

Существующие в природе жидкости можно разделить на нормальные и ассоциированные. Нормальными называются те жидкости, у которых молекулы не объединяются в группы (ассоциации). Жидкости, не подчиняющиеся этому условию, называются ассоциированными. Вода принадлежит к числу ассоциированных жидкостей. Если бы вода была неассоциированной жидкостью, температура плавления льда в нормальных условиях была бы +1,43°C, а температура кипения воды 103°C. Как правило, теплоемкость жидкостей с температурой растет, но у воды с приближением к температуре +35°C теплоемкость после роста спадает до минимума, а затем снова переходит к монотонному росту. Происходит это из-за того, что при такой температуре разрушаются молекулярные ассоциации. Чем проще молекулярная структура, тем меньше теплоемкость вещества. Температура наибольшей плотности воды понижается с увеличением давления и при давлении 150 атмосфер достигает 0,7°C. Это также объясняется изменением структуры молекулярных ассоциаций.

Среди существующих в природе жидкостей вода обладает наибольшей теплоемкостью. Это предопределяет большое ее влияние на климат. Основным терморегулятором климата являются воды океанов и морей: накапливая тепло летом, они отдают его зимой. Отсутствие водоемов на местности обычно приводит к образованию резко континентального климата. Благодаря влиянию океанов на значительной части земного шара обеспечивается перевес осадков на суше над испарением, и организмы растений и животных получают нужное им для жизни количество воды. Водная и воздушная оболочки земного шара постоянно обмениваются углекислотой с горными породами, растительным и животным миром, что также способствует стабилизации климата.

Известно, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии и поэтому стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остается минимальное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости.

Среди существующих в природе жидкостей поверхностное натяжение воды уступает только ртути. С поверхностным натяжением воды связано ее сильное смачивающее действие (способность «прилипать» к поверхности многих твердых тел). Кроме того, вода является универсальным растворителем. Теплота ее испарения выше теплоты испарения любых других жидкостей, а теплота кристаллизации уступает лишь аммиаку.

В природе существует шесть изотопов кислорода. Три из них радиоактивны. Стабильными изотопами являются О¹⁶, О¹⁷ и О¹⁸. При испарении в водяной пар в основном переходит изотоп О¹⁶, неиспарившаяся же вода обогащается изотопами О¹⁷ и О¹⁸. В водах морей и океанов отношение О¹⁸ к О¹⁶ больше, чем в водах рек. В раковинах животных тяжелые изотопы кислорода встречаются чаще, чем в воде. Содержание изотопа О¹⁸ в атмосферном воздухе зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше воды испаряется и тем большее количество О¹⁸ переходит в атмосферу. В период оледенений планеты содержание изотопа О¹⁸ в атмосфере было минимальным.

Как известно, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В составе обычной воды H₂O имеется небольшое количество тяжелой воды D₂O и совсем незначительное количество сверхтяжелой воды T₂O. В молекулу тяжелой воды вместо обыкновенного водорода H – протия входит его тяжелый изотоп D – дейтерий, в состав молекулы сверхтяжелой воды входит еще более тяжелый изотоп водорода Т – тритий. В природной воде на 1 000 молекул H₂O приходится две молекулы D₂O и на одну молекулу T₂O – 10¹⁹ молекул H₂O.

Тяжелая вода D₂O бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса и живыми организмами не усваивается. Температура ее замерзания 3,8°C, температура кипения 101,42°C и температура наибольшей плотности 11,6°C. По гигроскопичности тяжелая вода близка к серной кислоте. Ее плотность на 10% больше плотности природной воды, а вязкость превышает вязкость природной воды на 20%. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10% меньше, чем в обычной воде. Поскольку D₂O испаряется медленнее легкой воды, в тропических морях и озерах ее больше, чем в водоемах полярных широт.

Комбинируя различные сочетания изотопов водорода и стабильных изотопов кислорода, можно получить следующие разновидности молекул воды: H₂O¹⁶, H₂O¹⁷, H₂O¹⁸, HDO¹⁶, HDO¹⁷, HDO¹⁸, D₂O¹⁶, D₂O¹⁷, D₂O¹⁸, T₂O¹⁶, T₂O¹⁷, T₂O¹⁸, THO¹⁶, THO¹⁷, THO¹⁸, TDO¹⁶, TDO¹⁷, TDO¹⁸. Если же использовать и нестабильные изотопы кислорода O¹⁴, O¹⁵ и O¹⁹, то всего можно получить 36 разновидностей воды. В природе чаще встречаются молекулы воды, построенные из наиболее распространенных изотопов. Молекул H₂O¹⁶ в природной воде содержится 99,73%, молекул H₂O¹⁸…0,2% и молекул H₂O¹⁷…0,04%.

Рассмотрим некоторые наиболее важные оптические свойства воды и льда. Не все знают, что вода прозрачна только для видимых лучей и сильно поглощает инфракрасную радиацию. Поэтому на инфракрасных фотографиях водная поверхность всегда получается черной. При прохождении света через слой морской воды толщиной в 0,5 м поглощаются только инфракрасные лучи, ниже поглощаются последовательно красные, желтые, а затем и сине-зеленые тона. По наблюдениям из батискафа человеческий глаз может обнаружить присутствие солнечного света на глубине до 600…700 м. Эталоном прозрачности воды является Саргассово море. Белый диск в этом море виден на глубине до 66,5 м. Дальность видимости снизу вверх в приповерхностном слое моря составляет около 100 м.

Не весь солнечный свет поглощается водой. Вода отражает 5% солнечных лучей, в то время как снег – около 85%. Под лед океана проникает только 2% солнечного света.

Синий цвет чистой океанской воды объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде. В условиях диффузного освещения морской поверхности вследствие преобладания при этом отраженного света море выглядит более серым. При наличии ряби и волнения насыщенность цвета увеличивается (с подветренной стороны более, чем с наветренной).

Существенную роль в жизни растений играют оптические свойства водяного пара. Дело в том, что водяной пар сильно поглощает инфракрасные лучи с длиной волны от 5,5 до 7 микрон, что важно для предохранения почвы от заморозков. Еще более действенным средством от заморозков является выпадение росы и образование тумана: конденсация влаги сопровождается выделением большого количества тепла, задерживающего дальнейшее охлаждение почвы.

Зная физические свойства воды и льда, человек давно использует их в своей практической деятельности. Так, например, иногда применяется прокладка голых электрических проводов прямо по льду, так как электропроводность сухого льда и снега весьма мала. Она во много раз меньше электропроводности воды. Различные примеси оказывают значительное влияние на электропроводность воды и почти не изменяют электропроводности льда. Электропроводность химически чистой воды обусловлена частичной диссоциацией молекулы воды на ионы H⁺ и OH^–. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов H⁺ («протонные перескоки»). Электропроводность химически чистой воды при 18°C равна 3,8·10^–8 Ом^–1·см^–1 а электропроводность морской воды около 5·10^–2 Ом^–1·см^–1. Электропроводность пресной природной воды может быть 1 000 раз меньше, чем морской. Это объясняется тем, что в воде морей и океанов растворено большее количество солей, чем в речной воде.

Существенную характеристику электрических свойств вещества дает относительная диэлектрическая проницаемость. У воды она имеет величину в пределах 79…81, у льда 3,26, у водяного пара 1,00705.

Без воды не было бы на Земле ни жизни, ни производства.

 

Судьбы и нравы рек

Оглавление

 

Текст издания:

Арабаджи Всеволод Исидорович. Загадки простой воды. М.: «Знание», 1973

Дата публикации:

7 сентября 2001 года

При какой температуре замерзает вода?

В моем детстве в магазинах мало чего было, а летом в жару очень хотелось мороженого. Я, как и многие советские детишки, в морозильной камере замораживал воду с разведенным вареньем, то и дело заглядывал, готово ли.

Еще тогда изучил, что лед получается при температуре ниже 0 градусов. Став старше, узнал, как проходит процесс замерзания, какая температура нужна для этого разным водным растворам.

При какой температуре замерзает вода

Вода – это самая загадочная субстанция на планете. Она бывает разной:

• пресной и питьевой;
• минеральной;
• морской и солоноватой;
• дистиллированной и деионизированной.

От ее состава как раз и зависит температура замерзания. Обычная питьевая вода превращается в лед при температуре 0 градусов по Цельсию.

Но если добавить в нее различные соли, сахар или спирт, тогда потребуется температура значительно ниже. Дистиллированная вода, в которой отсутствуют примеси, и вовсе замерзает, если охладить ее ниже -42 градусов, в обычном холодильнике такой опыт не получится. При давлении даже простая водопроводная вода начнет замерзать только при отметке -2 градуса, чем больше оно будет, тем ниже потребуется температура. Чтобы понять, отчего так происходит, надо поближе познакомиться с процессом замерзания.

Как замерзает вода

В обыкновенной воде есть микроскопические частички, это может быть пыль, глина, песок. При понижении температуры и достижении отметки в 0 градусов они становятся центрами, вокруг которых появляются кристаллы льда. Пузырьки воздуха, трещины на посуде тоже могут стать такими ядрами кристаллизации. Чем их больше, тем быстрее пойдет процесс.

Для воды с примесью соли и прочих добавок требуется больше времени для замерзания потому, что у нее высокая плотность, и чем она выше, тем дольше жидкость будет замерзать. Дистиллированную воду вообще невозможно заморозить в домашних условиях из-за отсутствия таких центров, если в ней нет пузырьков воздуха и трещинок на емкости, в которую она налита.

Может ли вода замерзнуть при положительной температуре

Мне известны 2 фактора, при которых лед образуется при плюсовых показателях температуры. На высоте более 1000 км вода начинает замерзать уже при температуре +2 градуса.

И совсем уж предстает загадочная картина, если в нее добавить каустическую соду. Чем выше концентрация, тем выше температура замерзания. Например, 44% раствор превратится в лед при температуре +7 градусов.

Температура плавления льда = температура замерзания воды в зависимости от давления 1-2100 бар. Таблица.

Таблицы DPVA.ru — Инженерный Справочник	Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Тепловые величины: теплоемкость, теплопроводность, температуры кипения, плавления, пламени. Удельные теплоты сгорания и парообразования. Термические константы. Коэффициенты теплообмнена и расширения / / Температуры, кипения, плавления, прочие… Перевод единиц измерения температуры. Воспламеняемость. / / Температуры плавления, застывания, замерзания  / / Температура плавления льда = температура замерзания воды в зависимости от давления 1-2100 бар. Таблица. Поделиться:    Температура плавления льда = температура замерзания воды в зависимости от давления 1-2100 бар. Таблица. Имеется в виду обычный Лед I. Практически несжимаем, сжимаемость в 4 раза хуже, чем у воды. Плотность примерно 920 кг/м3 Температура плавления(oC) Давление (МПа) 0,00 0,1 -0,06 1 -0,14 2 -0,21 3 -0,29 4 -0,36 5 -0,74 10 -1,52 20 -2,32 30 -3,15 40 -4,02 50 -4,91 60 -5,83 70 -6,79 80 -7,78 90 -8,80 100 Температура плавления(oC) Давление (МПа) -9,86 110 -10,95 120 -12,07 130 -13,22 140 -14,40 150 -15,62 160 -16,85 170 -18,11 180 -19,39 190 -20,69 200 -22,00 210 Данные по: Wagner W., Saul A., Pruss A. International equations for the pressure along the melting and along the sublimation curve of ordinary water substance // J. Phys. 1994 Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос: Поиск в инженерном справочнике DPVA. Введите свой запрос:
Если Вы не обнаружили себя в списке поставщиков, заметили ошибку, или у Вас есть дополнительные численные данные для коллег по теме, сообщите , пожалуйста. Вложите в письмо ссылку на страницу с ошибкой, пожалуйста.
Коды баннеров проекта DPVA.ru Начинка: KJR Publisiers Консультации и техническая поддержка сайта: Zavarka Team	Проект является некоммерческим. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владельцы сайта www.dpva.ru не несут никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной с этого интернет-ресурса. Free xml sitemap generator

Инженеры определили минимальную температуру замерзания воды

Ученые из Хьюстонского университета в США определили самую низкую температуру замерзания воды. Эксперимент показал, что вода способна оставаться жидкой при показателях до -44 градусов Цельсия, сообщает Nature Communications.

Инженеры отметили, что эксперимент позволил лучше понять механизм превращения воды в лед. Это важно для целого ряда научных областей, от метеорологии до криоконсервации.

В эксперименте задействовали крошечные капли размером около 150 нанометров. Их поместили на мягкую поверхность, такую как гель.

Наблюдения показали, что мягкая граница между поверхностью материала и каплей воды препятствовала возникновению льда даже при сильном замораживании. Возможно, это было связано с давлением.

Ученые пояснили, что температура замерзания воды падает по мере повышения давления окружающей среды. Наиболее выраженный эффект наблюдался в капле воды диаметром всего 2 нанометра.

«Мы обнаружили, что если капля воды соприкасается с мягкой поверхностью, температура замерзания может быть значительно ниже, чем на твердых поверхностях», – подчеркнули авторы.

Авторы научной работы доказали, что при определенных условиях капля воды размером в несколько нанометров может избежать замерзания до -44 градусов по Цельсию. Это критически важно для криоконсервации. Крошечные капли воды внутри организма, замерзая, могут привести к разрыву или гибели клеток. С помощью новых данных ученых смогут найти способ избежать этого.

Исследование также помогает лучше понять природные процессы в атмосфере. Ученые полагают, что его результаты позволят разработать эффективные противообледенительные системы для авиации, ветроэнергетики и объектов инфраструктуры.

Ранее сообщалось, что ученые открыли новую форму льда. Исследование провели в Австрии.

Физические свойства воды

> Физические свойства воды

• Состояние (ст.усл.): жидкость
• Плотность: 0,9982 г/куб.см
• Динамическая вязкость (ст.усл.): 0,00101 Па•с (при 20°C)
• Кинематическая вязкость (ст.усл.): 0,01012 кв.см/с (при 20°C)

Термические свойства воды:

• Температура плавления: 0°C
• Температура кипения: 99,974°C
• Тройная точка: 0,01 °C, 611,73 Па
• Критическая точка: 374°C, 22,064 MПа
• Молярная теплоёмкость(ст.усл.): 75,37 Дж/(моль•К)
• Теплопроводность(ст.усл.): 0,56 Вт/(м•K)

Агрегатные состояния воды:

• Твёрдое — лёд.
• Жидкое — вода.
• Газообразное — водяной пар.

При атмосферном давлении вода замерзает (превращается в лёд) при температуре в 0°C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100°C.

При снижении давления температура плавления воды медленно растёт, а температура кипения — падает.

При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01°C. Такое давление и температура называются тройной точкой воды.

При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки льда падает со снижением давления.

При росте давления температура кипения воды растёт, плотность водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает.

При температуре 374°C (647 K) и давлении 22,064 МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают.

При более высоком давлении нет разницы между жидкой водой и водяным паром, следовательно, нет и кипения или испарения.

Так же возможны метастабильные состояния — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, нетрудно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0°C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Вода обладает рядом необычных особенностей:

• При таянии льда, его плотность увеличивается (с 0,9 до 1 г/куб.см). Почти у всех остальных веществ при плавлении плотность уменьшается.
• При нагревании от 0°C до 4°C (точнее 3,98°C), вода сжимается. Благодаря этому могут жить рыбы в замерзающих водоёмах: когда температура падает ниже 4°C, более холодная вода, как менее плотная остаётся на поверхности и замерзает, а под льдом сохраняется положительная температура.
• Высокая температура и удельная теплота плавления (0°C и 333,55 кДж/кг), температура кипения (100°C) и удельная теплота парообразования (2250 КДж/кг), по сравнению с соединениями водорода с похожим молекулярным весом.
• Высокая теплоёмкость жидкой воды.
• Высокая вязкость.
• Высокое поверхностное натяжение.
• Отрицательный электрический потенциал поверхности воды.

Все эти особенности связаны с наличием водородных связей. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По причине этого, а также того, что ион водорода не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома соседней молекулы. Благодаря этому, каждый атом кислорода притягивается к атомам водорода других молекул и наоборот. Каждая молекула воды может участвовать максимум в четырёх водородных связях: 2 атома водорода — каждый в одной, а атом кислорода — в двух; в таком состоянии молекулы находятся в кристалле льда. При таянии льда часть связей рвётся, что позволяет уложить молекулы воды плотнее; при нагревании воды связи продолжают рваться, и плотность её растёт, но при температуре выше 4°С этот эффект становится слабее, чем тепловое расширение. При испарении рвутся все оставшиеся связи. Разрыв связей требует много энергии, отсюда высокая температура и удельная теплота плавления и кипения и высокая теплоёмкость. Вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Чистая (не содержащая примесей) вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H₃O+) и гидроксильных ионов HO — составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60% парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.

Понравилось? Поделись с друзьями!

---

Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.blog comments powered by

термодинамика — Если жидкая вода удерживается в сосуде, а температура падает ниже точки замерзания, образуется ли лед?

термодинамика — Если жидкая вода удерживается в сосуде, а температура падает ниже точки замерзания, образуется ли лед? — Stack Overflow на русском

Сеть обмена стеками

Сеть Stack Exchange состоит из 179 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетите биржу стека

2. 0
3. +0
6. Авторизоваться Зарегистрироваться

Physics Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для активных исследователей, ученых и студентов, изучающих физику.Регистрация занимает всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Любой может задать вопрос

Любой может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются на вершину

спросил 1 год, 11 месяцев назад

Просмотрено 272 раза

$\begingroup$

Если жидкая вода находится в сосуде, а температура падает ниже точки замерзания, какое давление будет измерено, если предположить, что сосуд небьющийся? Или, другими словами, образуется ли лед, если не дать воде расшириться?

Кьюмеханик♦

164k3030 золотых знаков406406 серебряных знаков19151915 бронзовых знаков

спросил 27 марта 2020 г. в 2:13

$\endgroup$ 1 $\begingroup$

В зависимости от скорости замерзания, если очень быстро, образуется неупорядоченное твердое вещество, которое заполнит сосуд без избыточного давления.

Если заморозить медленно, кристаллы льда с меньшей плотностью сформируются и расширятся. В конце концов лед перестанет образовываться, и из-за повышения давления температура воды будет ниже точки замерзания.

ответ дан 27 мар 2020 в 2:40

дллахрдллахр

33633 серебряных знака1010 бронзовых знаков

$\endgroup$ $\begingroup$

вода, находящаяся в закрытом пространстве, таком как водопровод в доме или блок двигателя в автомобиле, а затем вынужденная замерзнуть, расширится и при этом создаст достаточное давление, чтобы лопнуть эти трубы или расколоть блок двигателя.

Давление, действительно необходимое для предотвращения замерзания воды, намного превышает то, которое может быть достигнуто в обычных условиях, и может быть определено путем чтения фазовой диаграммы для системы лед/вода/водяной пар.

ответ дан 27 мар 2020 в 3:45

Нильс Нильсеннильс Нильсен

70.1k1414 золотых знаков102102 серебряных знака176176 бронзовых знаков

$\endgroup$ $\begingroup$

Температура замерзания зависит от внешнего давления, действующего на жидкость (см. эту ссылку Как зависит температура замерзания воды от давления?)

Таким образом, давление из сосуда вызовет понижение точки замерзания (при условии, что сосуд имеет коэффициент объемного расширения 0 ($\alpha_v$), поэтому он не меняет своего объема и не ломается под высоким давлением).По мере того, как вы продолжаете падать ниже 4°C, вода будет расширяться и оказывать давление на контейнер, который, в свою очередь, оказывает давление на воду, вызывая все большее и большее понижение точки замерзания.

Таким образом, если вы сохраните объем без изменений и уменьшите температуру, вы достигнете неоправданно высокого давления.

Итак, в теоретической идеальности

Никакая вода никогда не замерзнет

Но у любого практического применения есть ограничения, и в конце концов монетоприемник лопнет.

ответ дан 27 мар 2020 в 6:43

$\endgroup$ 3 $\begingroup$

Да, вода замерзнет, ​​но не в обычную шестиугольную форму кристаллического льда, с которой мы знакомы.Если предположить, что контейнер способен выдерживать внутреннее давление не менее 300 мегапаскалей (около 43 500 фунтов силы на квадратный дюйм), вода замерзнет в своей ромбоэдрической кристаллической форме Ice II.

Это также предполагает, что вода была помещена в контейнер при температуре 4 градуса Цельсия, при которой жидкая вода имеет наибольшую плотность. Если бы он был теплее, он бы сначала немного сжался и создал некоторое паровое пространство, внутри которого сначала образовался бы нормальный лед.

ответ дан 6 июн 2021 в 3:13

$\endgroup$ Physics Stack Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой использования файлов cookie.

Принять все файлы cookie Настроить параметры

 

термодинамика — Насколько велика сила расширения льда при замерзании?

Резюме:

Согласно ответу Chemomechanics на -22C:

Он будет охлаждаться как вода при комнатных давлении, температуре и объеме (и, следовательно, комнатной плотности) до 0°С.Затем, когда он охлаждается, он переходит от 0°C воды к 0°C ледяной воды при давлении около 10 атмосфер. Затем он остынет до -22°С как смесь воды и льда, и потребуется более 2000 атмосфер давления, чтобы сохранить тот же объем/плотность. При -22С он окончательно становится льдом.

Ниже ответа Chemomechanics до 0K:

Затем он остынет, как комбинация обычного льда и льда-III (тетрагональный кристаллический лед) (где-то по половине каждого) до -38°C, довольно неожиданно оставаясь примерно при том же давлении (поскольку он охлаждает ненамного больше давления выше 2000 атмосфер). требуется для поддержания постоянного объема).Затем он становится комбинацией обычного льда и льда-II (ромбоэдрическая кристаллическая форма льда с высокоупорядоченной структурой, тоже где-то пополам каждого), еще примерно при том же давлении. Наконец, ниже ~165K комбинация представляет собой обычный лед и лед-IX, и он охлаждается до 0K, опять же неожиданно при том же давлении (~2000 атмосфер).

Итак: От 0°С воды до 0°С комбинации лед/вода при той же плотности давление увеличивается с 1 атмосферы до более чем 10. Затем от 0°С до -22°С давление увеличивается до 2000 атмосфер, и, наконец, в этой точке все становится льдом. .Тогда давление не сильно возрастает вплоть до абсолютного нуля.

---

Как я это определил и подробнее

Большой металлический шар все еще может локально деформироваться, даже если его радиус бесконечен. Он не лопнет, но изменит форму, потому что сила велика.

Тем не менее, мы можем представить постоянный объем охлаждающей воды. Если у вас есть постоянная масса h3O и постоянный объем, то у вас есть постоянная плотность. И постоянный «удельный объем», который равен 1/плотность.

Охлаждение до -22°C:

Я сошлюсь на длинный ответ эксперта Chemomechanics выше с фотографиями и объясню его для неспециалиста, насколько это возможно (доходит до -22C, 210 МПа, что является первой точкой 100% льда, а затем останавливается). Потом отвечу на остальные.

Посмотрите на его ответ и найдите этот текст и картинку над ним: «Исходя из этого, мы можем предсказать реакцию равновесия при охлаждении воды при постоянном объеме. Мы находим, что при постоянном объеме (движении вертикально вниз от 0°C и 1 г/куб.см), прогнозируется, что потребуется переохлаждение более 200 МПа и 20°C даже для получения около 50% шуги из воды и льда.(-3)”; было бы проще просто сказать g/cc.

Итак, если мы начнем с комнатной температуры и давления 30°C, это будет вода с концентрацией 1 см3/г. Эта точка будет выше того, что покрывает изображение. И когда мы охлаждаемся и идем прямо вниз, выше того, что покрывает изображение, плотность остается постоянной на уровне 1, и то же самое давление до тех пор, пока мы не достигнем 0C, и эта точка будет на изображении вверху. Здесь встречаются вода и лед и начинается замерзание. Координаты точки (1, 0C).

Теперь у нас есть два возможных пути от этой точки (1 см3/г, 0С):

1. Поддерживайте постоянное давление, а не объем, и охлаждайте его.Это нормальный случай. Это будет движение горизонтально вправо. Плотность уменьшается (расширяется) и проходит через лед-воду и становится льдом при 0°С и ~1,08 см3/г. Температура не снижается даже при охлаждении, пока все не превратится в лед. Затем дальнейшее охлаждение при комнатном давлении приведет к снижению температуры льда.

2. Наша проблема: оставить удельный объем постоянным на уровне 1 и охладить его. Это означает идти прямо вниз. А для снижения температуры даже всего на 20С требуется давление 200 МПа! и это был бы еще даже не лед – смесь.Это в 2000 раз больше атмосферного давления, чтобы поддерживать постоянную плотность (объем). И этого достаточно, чтобы навсегда деформировать любой металл, чтобы этого не произошло. Можно было бы использовать нитрид кремния, он бы вообще ничего не дал (любой реальный материал дал бы немного, но мы продолжаем делать вид, что это можно сделать).

Тогда он говорит, что дальнейшее охлаждение повысит давление еще больше, до 209,9 МПа, и тогда, при -22С (251К), будет весь лед. Затем он заканчивает свой ответ.

От -22C до 0K:

Удивительно, но давление не сильно увеличивается, чтобы удерживать такую ​​плотность.(-4) в левом нижнем углу). Он проходит прямо через середину области, представляющей собой смесь обычного льда и льда-III (тетрагональный кристаллический лед), а затем через середину области обычного льда и льда-II (ромбоэдрическая кристаллическая форма льда с высокоупорядоченной структурой). структура). Теперь смотрите третий рисунок. Наконец, ниже ~165K комбо представляет собой обычный лед и лед-IX.

На третьем рисунке все это ниже -22С это линия между теми фазами, а это горизонталь !!! около 200 МПа вплоть до абсолютного нуля, что означает приблизительно постоянное давление.Откуда нам знать, что мы остаемся на этой горизонтальной линии и не попадаем в чистый лед-II или комбинацию льда-II и льда-IX? Поскольку плотности II, II, IX значительно ниже 1. Таким образом, требуется комбинация льда-IL или льда-IH с его более высокой плотностью (меньший удельный объем) и одного из других льдов, чтобы оставаться на плотности 1. Значение мы остаемся на этой горизонтальной линии на третьем рисунке.

Ниже 65K обычная часть льда превращается в лед-XI, который также имеет плотность ниже 1 и на самом деле представляет собой просто другую форму льда-IH.Плотность всех из них (очень приблизительно) находится на одном и том же расстоянии от 1 (будь то выше или ниже), поэтому фазовая смесь (примерно) составляет примерно половину каждой в каждом случае на пути вниз.

Что произойдет, если вода не замерзнет из-за давления; куда уходит энергия?

Как вы заметили, если предотвратить расширение воды, то вода не может пройти через фазовый переход.

Само по себе это не проблема; возникает явление переохлаждения воды.Состояние переохлажденной воды заключается в том, что температура воды ниже точки замерзания, но она не кристаллизовалась. В какой-то степени для кристаллизации нужен триггер. В нормальных условиях в воде всегда есть что-то, что будет действовать как ядро, и как только кристаллизация началась, это неуправляемый процесс.

В этом случае мы, конечно, полагаем, что условия для зародышеобразования существуют и что именно удержание препятствует расширению, предотвращая кристаллизацию всей воды.

Для сравнения представьте, что вода находится в шаре, сделанном из материала с хорошей эластичностью; материал легко деформируется.
При расширении воды/льда материал растягивается, и, как и в любом другом эластичном материале, упругая деформация действует как хранилище потенциальной энергии. То есть, когда лед тает , эластичный материал снова сжимается, и это сжатие высвобождает накопленную упругую энергию.

Очень знакомым примером накопления энергии в эластичном материале является то, как работает рогатка.

Если эластичный материал очень жесткий, то небольшая вытяжка сохраняет лот энергии. В общем, количество накопленной энергии пропорционально силе, умноженной на смещение.

Это подводит нас к материалу, о котором вы спрашиваете: материалу, достаточно прочному, чтобы противостоять давлению воды внутри с очень небольшой деформацией.

Высокопрочная сталь хорошо растягивается лишь незначительно. Но усилие , необходимое для растяжения стали, это крошечное количество равно огромному .Таким образом, высокопрочная стальная сфера будет накапливать значительное количество упругой энергии.

А что, если использовать материал с еще более высокой прочностью на растяжение? Этот материал будет растягиваться еще меньше, но количество накопленной энергии будет сравнимо, потому что сила упругости будет намного больше.

Лед и вода. Температура плавления в зависимости от давления

Температура плавления: Температура, при которой твердое тело превращается в жидкость.

Точка плавления воды зависит от давления надо льдом (твердая вода), а точка плавления или температура замерзания снижается с увеличением давления.По определению 0 °C соответствует температуре плавления воды при давлении в 1 атмосферу.

Онлайн-калькулятор температуры плавления льда и воды

Приведенный ниже калькулятор можно использовать для расчета температуры плавления воды при заданном давлении.
Температура на выходе указывается в °C, °F, K и °R.

Внимание! Давление должно быть в пределах 0,01-2000 бар абс., ​​0,1-29 000 фунтов на кв. дюйм, 5-1500 000 мм рт.ст. или 0,2-59000 дюймов рт.ст.

Термодинамические свойства при стандартных условиях см. в разделе «Вода и тяжелая вода».
См. также другие свойства Вода при различной температуре и давлении : , pK _w , нормальной и тяжелой воды, число Прандтля, свойства в условиях газожидкостного равновесия, давление насыщения, удельный вес, удельная теплоемкость (теплоемкость), удельный объем, теплопроводность, температуропроводность и давление пара при газожидкостном равновесии. жидкостное равновесие.

31,75 31,33 -1,14 29.95 27,75 -4,09 24.64 21,31 -7,91 17.76 12,04 -15,73 3,69

Давление					Температура
[МПа]	[Бара]	[фунтов на квадратный дюйм]	[мм рт.ст.]	[в HG]	[° C] [° F] [° F] [° F]
0,000612	0,00612	0.089	4,59	0.59	0.18	0,01	32,02
0,1	1,01325	14,7	750	29,5	0,0026	32,00
1	10	145	7501	295	—	0,064 31,88
	2 20	290	15001		591 -0,14
	5 50	725	37503	1476	-0.37
10	100	1450	75006	2953		-0,75 30,65
15	150	2176	112509	4429
20	200	2901	150012	5906		-1,54 29,23
30	300	4351	225019	8859	-2.36
40	400	5802	300025	11812		-3,21 26,22
50	500	7252	375031	14765
60	600	8702	450037	17718		-5,00 23,00
70	700	10153	525043	20671	-5.94
80	800	11603	600049	23624		-6,91 19,56
90		900 13053	675056	26577
100	1000	14504	750062	29530		-8,94 15,91
120	1200	17405	4	35436	-11.09
140	1400	20305		1050086 41342		-13,35 7,97
160		+1600 23206		1200099 47248
180	1800	26107		1350111 53154		-18,22 -0,80
200	2000	29008		1500123 59060	-20.83	-5,49

Вода превращается в лед под давлением?

Вопрос задан: Д-р Крист Ондричка В.
Оценка: 4,3/5 (75 голосов)

Если поднять давление, поддерживая постоянную температуру, он переключится на лед VI при давлении около 1 ГПа или около 10 000 атмосфер давления: трудно превратить воду в лед, сжимая ее ; вода на дне океана все еще вода.

Замерзает ли вода под давлением?

Вода в таком состоянии называется «переохлажденной».При нормальном давлении чистая вода может быть переохлаждена примерно до -40 градусов по Цельсию. Переохлажденную воду удерживает от замерзания только отсутствие центров зарождения .

Что происходит с водой под экстремальным давлением?

«Сжатие воды обычно нагревает ее. Но при сильном сжатии плотной воде легче войти в свою твердую фазу [лед], чем поддерживать более энергичную жидкую фазу [воду] .» Лед странный. Большинство вещей сжимаются при охлаждении, поэтому в твердом состоянии они занимают меньше места, чем в жидком.

Превратится ли вода в лёд при комнатной температуре?

Исследователи из Кореи показали, что жидкая вода может превратиться в лед при комнатной температуре при определенных условиях. … Ранее было предсказано, что вода замерзнет выше своей нормальной точки замерзания, если будет приложено электрическое поле 10 ⁹ вольт на метр.

Можно ли сделать лед, выжимая воду?

, вы можете заставить их затвердевать при комнатной температуре, если вы нажмете на них достаточно сильно, заставив молекулы сблизиться и выстроиться в твердую твердую структуру.Вода уникальна, и она работает в обратном направлении — вы можете растопить лед, сжимая его!

Найдено 22 похожих вопроса

Что происходит со льдом при комнатной температуре?

В отличие от кубиков льда в прохладительных напитках, сухой лед вообще не тает и не становится жидким. Вместо этого при комнатной температуре он сразу переходит из твердого состояния в газообразное. Этот процесс называется сублимацией .

Можете ли вы сжать воду с достаточной силой?

Давление и температура могут влиять на сжимаемость

Но достаточно сильно сжать, и вода сожмется — уменьшится в размерах и станет более плотной…но не очень. … Даже при таком большом давлении вода сжимается менее чем на один процент.

Можно ли хлюпать воду?

Да, Вы можете сжимать воду или почти любой материал. Однако для достижения небольшого сжатия требуется большое давление. … Вода на дне океана сжимается под весом воды над ней на всем пути к поверхности и более плотная, чем вода на поверхности.

Испаряется ли вода с небольшим количеством энергии?

Тепло (энергия) необходимо для испарения. Энергия используется для разрыва связей, удерживающих молекулы воды вместе, поэтому вода легко испаряется при температуре кипения (212°F, 100°C), а испаряется гораздо медленнее при температуре замерзания .

При каком давлении вода не замерзнет?

«Очевидно, практически невозможно удержать воду от замерзания при давлении выше 70 000 атмосфер », — говорит Долан.Когда к газу прикладывается высокое давление, он переходит в жидкую форму.

Может ли вода быть жидкой при температуре 0 градусов?

Да , вода может оставаться жидкой при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Есть несколько способов, как это может произойти. Температура замерзания воды падает ниже нуля градусов по Цельсию, когда вы оказываете давление.

Что происходит с водой при абсолютном нуле?

Вода замерзает при абсолютном нуле.Даже вода замерзает при нуле градусов Цельсия, но молекула воды не останавливается при этой температуре.

Нужна ли энергия для испарения?

Для осуществления этого изменения в воде требуется значительное количество тепловой энергии (586 калорий). … Даже когда температура ниже точки кипения, отдельные молекулы воды получают достаточно энергии друг от друга, так что некоторые молекулы поверхностной воды могут ускользнуть и испариться; этот процесс известен как испарение.

Испарение приобретает или теряет энергию?

Испарение, подобно плавлению или замерзанию, является примером фазового перехода — перехода вещества из одной физической формы в другую. При испарении энергичных молекул покидают жидкую фазу, что снижает среднюю энергию оставшихся молекул жидкости.

Кипячение увеличивает или теряет энергию?

При кипении жидкости частицы должны иметь достаточную энергию, чтобы оторваться от жидкости и диффундировать через частицы окружающего воздуха.Когда эти частицы остывают и теряют энергию , они конденсируются и снова превращаются в жидкость.

На какой глубине вас раздавит вода?

Люди могут выдерживать давление от 3 до 4 атмосфер или от 43,5 до 58 фунтов на квадратный дюйм. Вода весит 64 фунта на кубический фут, или одной атмосферы на 33 фута глубины , и давит со всех сторон. Давление океана действительно может раздавить вас.

Может ли ваше тело взорваться под водой?

Давление воды будет давить на тело человека, вызывая коллапс любого пространства, заполненного воздухом. (Воздух будет сжат.) Таким образом, легкие сожмутся. … Но если бы не было заполненного воздухом пространства, в которое можно было бы втолкнуться, тело не раздавилось бы.

Можно ли раздавить заключение эксперимента?

Вывод: При нагревании банки часть воды превратилась в водяной пар ….Водяной пар, оставшийся внутри банки, быстро охлаждался и конденсировался в капли воды, создавая вакуум. Внезапно давление снаружи банки становится больше, чем внутри банки, в результате чего она рушится сама на себя!

Какая сила потребуется, чтобы сжать воду?

Если вы хотите сжать воду так, чтобы ее объем уменьшился, скажем, на 1%, то потребуется около 2,2 x 10 ⁷ Па давления.Иными словами, для сжатия воды на 1% при комнатной температуре требуется немного , превышающее 200-кратное атмосферное давление.

Какая сила нужна для сжатия воздуха?

Атмосферный воздух имеет давление 14 фунтов на квадратный дюйм (1 бар), но может быть повышен до давления 6004 фунтов на квадратный дюйм (414 бар) при сжатии до меньшего состояния. Каким именно становится сжатый воздух под давлением, определяется наукой.

Что не течет легко?

Показателем того, насколько быстро или медленно может течь жидкость, является ее вязкость. Сырая нефть, например, представляет собой жидкость, которая не очень легко течет. … Вода имеет низкую вязкость.

Что произойдет со льдом, когда он нагреется до 100 градусов?

Можно подумать, что кубик льда полностью растаял, когда он превратился в жидкость, но процесс может зайти гораздо дальше.Если температура окружающей жидкости достигает точки кипения 100 градусов по Цельсию (12 градусов по Фаренгейту), вода испаряется и превращается в водяной пар .

Замерзает ли вода при 0?

Нас всех учили, что вода замерзает при 32 градусах по Фаренгейту , 0 градусов по Цельсию, 273,15 по Кельвину. Однако это не всегда так. Ученые обнаружили, что жидкая вода имеет температуру до -40 градусов по Фаренгейту в облаках и даже охладила воду до -42 градусов по Фаренгейту в лаборатории.

Лед тает с постоянной скоростью?

Короткий ответ: нет, вообще нет . Если вся глыба льда имеет температуру ровно ноль градусов по Цельсию, скорость его таяния будет пропорциональна скорости, с которой тепло передается льду. Эта скорость потока будет зависеть от окружающей среды, площади поверхности, формы и т. д.

Суперионная вода — «лед», образованный под действием экстремальной температуры и давления

Вода затвердевает в лед, когда температура падает ниже точки замерзания, и превращается в парообразный газ при 100 градусах Цельсия.Однако, согласно последним выводам исследователей из Университета Рочестера (UoR) в Брайтоне, кампус Нью-Йорка, вода также образует ледоподобное твердое вещество под воздействием сильной жары и давления.

Используя один из самых мощных в мире лазеров, расположенный в Лаборатории лазерной энергетики Университета Рима, физики генерировали ударные волны, которые сжимали и нагревали капли воды до тех пор, пока они не достигали 100–400 гигапаскалей (более чем в 100 000 раз выше земного атмосферного давления) и 2 000–3 000 кельвинов (почти горячая, как поверхность Солнца).

Измерение дифракции рентгеновских лучей выявило нечто довольно странное в воде при сверхвысоком нагреве и давлении: вместо того, чтобы превратиться в газ, молекулы затвердели и образовали наноразмерные частицы, которые известны как суперионный водяной лед.

Вода обладает некоторыми уникальными характеристиками, не похожими ни на какие другие химические растворители. С одним атомом кислорода, ковалентно связанным с двумя атомами водорода под углом 104,5 градуса, молекула воды имеет два запасных (или «неспаренных») электрона, которые могут образовывать слабую связь с атомами водорода соседних молекул.Когда каждой молекуле воды удается построить так называемую водородную связь со своими соседями в кристаллической форме в форме тетраэдра, вода затвердевает и превращается в лед.

На Земле, когда ее температура падает ниже точки замерзания, вода образует лед (также известный как лед I), но это не единственная твердая форма воды. Поскольку тетраэдры представляют собой такой геометрический «оборотень», они могут быть упакованы вместе в самых разных конфигурациях. Управляя условиями окружающей среды, в основном температурой и давлением, ученые ранее пришли к выводу, что существует семнадцать различных типов «льда» (или твердого состояния воды).

Более 17 видов льда! (Научное шоу)

Исследователи UoR обозначили недавно открытое состояние воды как Лед XVIII (латинские буквы для «18»). Но в отличие от других 17 версий, суперионный лед не состоит из целых молекул воды, потому что связи между кислородом и водородом частично разрушены. Молекулы находятся в промежуточном состоянии, где атомы кислорода образуют кубическую решетку, а атомы водорода циркулируют внутри кислородного каркаса, как жидкость.

Астрономы давно подозревали, что внутри ледяных планет-гигантов, таких как Уран и Нептун, высокая температура и давление заставляют молекулы воды, большую часть внутреннего ядра планеты, подвергаться суперионному фазовому переходу и превращаться в «лед». . Это исследование предоставило важное подтверждение того, как может выглядеть вода внутри этих планет.

Это захватывающее открытие было опубликовано в журнале Nature .

Источник: журнал Quanta

Замерзающая вода постоянного объема и в замкнутом объеме

T – V фазовая диаграмма на основе свободной энергии Гельмгольца

Фазовые диаграммы строятся проекцией фаз с наименьшей свободной энергией на оси естественных термодинамических переменных.Выбор естественных переменных определяет геометрию поверхностей свободной энергии и, следовательно, поведение фазового сосуществования на результирующей фазовой диаграмме.

Для того чтобы однородное однофазное вещество было стабильным, его внутренняя энергетическая поверхность, U , должна быть положительно определенной; ∂ ^{2 u} U / ∂ x номер) и так далее.Когда неудобно использовать экстенсивную естественную переменную, можно построить новый термодинамический потенциал с интенсивными естественными переменными, Y  =  T (температура), P (давление), μ (химический потенциал), И так далее, путем преобразования Лежандра обширной переменной в отношении его интенсивного сопряжения, U — ( ∂U / ∂x ) x = u — u 23 . После преобразования Лежандра кривизна поверхности свободной энергии становится вогнутой вниз в соответствующей интенсивной термодинамической переменной (переменных) ²⁴ или иным образом сохраняет выпуклую кривизну U в экстенсивной переменной (переменных) ²⁵ .

Потенциал Гиббса имеет интенсивные естественные переменные температуры и давления, поэтому поверхности свободной энергии Гиббса вогнуты как в T , так и в P . Проекция фазы с наименьшей свободной энергией Гиббса на оси температуры и давления восстанавливает стандартную фазовую диаграмму T – P , как показано для H ₂ O на рис. 1a, построенную с использованием термодинамических данных Международной ассоциации свойств. воды и пара (IAPWS) ^26,27 .Для однокомпонентной системы, такой как H ₂ O, сосуществование фаз определяется пересечением этих вогнутых вниз поверхностей свободной энергии, что приводит к одномерной (1D) линии сосуществования фаз в T – Самолет Р .

Рис. 1: Поверхности свободной энергии воды и льда-1ч при различных термодинамических граничных условиях.

a Поверхности свободной энергии Гиббса воды и льда-1ч в системе с естественными переменными температурой и давлением.Проекция фазы с наименьшей свободной энергией на плоскость температура-давление дает стандартную фазовую диаграмму T – P (температура – ​​давление) для воды. b Поверхности свободной энергии Гельмгольца воды и льда-1ч в системе с естественными переменными температурой и удельным объемом. Общие касательные между фазами определяют диапазон, в котором двухфазная смесь в равновесии будет производить наименьшую свободную энергию системы. Наклон общего тангенса ∂F / ∂V дает равновесное давление в системе. c T – V (температура–объем) фазовая диаграмма для воды и льда – 1ч. d Фазовая доля льда в час в зависимости от температуры при различных объемах, характерных для системы, в изохорной системе.

Однако в изохорной системе естественными переменными должны быть температура и объем, а не давление, что соответствует термодинамическому потенциалу Гельмгольца, F . Мы можем построить F ( T , V ) для воды и льда-1 ч с помощью преобразования Лежандра данных свободной энергии Гиббса как:

$$F(T,V) = G(T,P( В)) — ПВ.$$

(1)

Поскольку V экстенсивный, а T интенсивный, F выпуклый по объему (∂ ² F /∂V ²  > 0) и вогнутый по температуре.

Выпуклость свободной энергии Гельмгольца как функции объема принципиально меняет характер сосуществования фаз в пространстве T–V . Нижняя огибающая свободной энергии теперь включает касательные линии между выпуклыми кривыми F _воды ( V ) и F _льда ( V ), которые обозначают двумерную двухфазную равновесную область, в отличие от одномерной линии фазового сосуществования.Гиббс назвал эти касательные линии «линиями рассеянной энергии» ²⁸ , вдоль которых однофазное однородное вещество может уменьшать свою свободную энергию, образуя гетерогенную смесь двух фаз. Эти касательные линии аналогичны линиям, используемым в построении выпуклой оболочки бинарных эвтектических фазовых диаграмм, которые построены из свободной энергии Гиббса, G ( T , x ) ²⁹ . Выпуклая конструкция корпуса может быть применена как к G ( x ), так и к F ( V ), поскольку и состав ( x ), и объем ( V) являются экстенсивными переменными, и, следовательно, их произвольные значения энергетические поверхности выпуклые.

Спроектировав выпуклую оболочку с наименьшей энергией, образованную поверхностями F _воды и F _льда на рис. 1b, мы построим фазовую диаграмму T–V для воды, показанную на рис. 1c. . Насколько нам известно, эта фазовая диаграмма ранее не сообщалась в литературе. Фазовая диаграмма воды T – V имеет двухфазную равновесную область, где равновесную фазовую долю можно решить с помощью правила Левера, таким же образом, как и для бинарных эвтектических фазовых диаграмм T – x ²⁹ .Для справки читателю фазовая доля в зависимости от температуры и удельного объема системы показана на рис. 1d.

При заданной температуре наклон этих касательных линий (∂ F /∂ V ) _T обеспечивает давление, которое двухфазная смесь оказывает на емкость постоянного объема. Эти изоклины давления отмечены на фазовой диаграмме T–V на рис. 1в. Обратите внимание, что в равновесной двухфазной области касательные линии соединяют кривые свободной энергии воды и льда-1h, подразумевая, что вода и лед испытывают одинаковое давление, что действительно является требованием для механического равновесия.

Физические мотивы теории изохорного зародышеобразования

Фазовая диаграмма равновесия T – V , представленная на рис. 1c, зависит от удельного объема ( v ), поскольку области сосуществования фаз определяют термодинамическое равновесие независимо от количества присутствующего материала. Затем мы показываем, что кинетика образования зародышей в изохорных системах дополнительно зависит от абсолютного объема ( V ) контейнера системы, и мы используем обе зависимости для вывода изохорной теории образования зародышей льда.

Рассмотрим процесс изохорного замораживания, при котором закрытая емкость фиксированного объема, наполненная чистой водой, доводится до температуры ниже 0 °C до метастабильного переохлажденного состояния (рис. 2а). Перед образованием кристаллов льда переохлажденная вода будет испытывать некоторое давление P ₁ , определяемое наклоном касательной ∂ F _вода /∂ v при удельном объеме контейнера, как отмечено на рис. 2б. Когда зарождается лед-1h, зарождающееся ядро ​​будет оказывать дополнительное давление на воду и контейнер, а поскольку общий объем системы не может измениться, контейнер будет оказывать равное и противоположное давление как на воду, так и на ледяное ядро ​​(рис.2с). Это уменьшает удельный объем льда и воды и увеличивает их удельную свободную энергию в соответствии с кривыми F ( v ), показанными на рис. 2b. Энергию, необходимую для повышения давления в системе и уплотнения исходной жидкой фазы, мы называем «штрафом за изохорный рост», который можно интерпретировать как энергетический штраф, который должна платить твердая фаза, чтобы расти в системе с ограниченными абсолютными и конкретный объем.

Рис. 2: Концептуальная формулировка процесса нуклеации в изохорной системе.

a Исходное состояние системы, при котором содержимое полностью жидкое. В этом состоянии абсолютный объем 90 792 V 90 793 и удельный объем 90 792 v 90 793 системы по определению будут равны объему водной фазы, поскольку льда нет. b Параллельная касательная конструкция. Для всплывающего ядра льда с абсолютным объемом 90 792 V 90 793 90 219 льда 90 220 в системе с абсолютным объемом 90 792 V 90 793 90 219 системы 90 220 удельный объем и свободная энергия каждой фазы могут быть найдены путем определения точек на каждой кривой, которые будут удовлетворять закону сохранения массы системы, абсолютного объема и удельного объема, образуя касательные линии (∂ F/ ∂ v) , которые параллельны друг другу, указывая на непрерывность давления P во всей системе.В равновесии касательные двух фаз станут коллинеарными, и система будет испытывать равновесное давление P _{равновесное} . c Второе состояние системы, в котором конечная масса и объем системы теперь разделены между водной и ледяной фазами, обладающими разными абсолютными объемами ( V _лед , V _вода ) и удельным объемом ( v _лед , v _вода ).Давление внутри системы увеличивается до P ₂  >  P ₁ из-за расширения ядра льда. d Формулировка отношений сохранения, управляющих системой.

Интуитивно понятно, что величина этого штрафа должна меняться в зависимости от абсолютного объема системы; рост одиночного ядра льда, заключенного в океане, не вызовет заметного эффекта, но рост того же ядра в наноразмерном контейнере может значительно сжать оставшуюся воду.

Следовательно, давление в системе является функцией относительной фазовой доли льда, который вырос. Поскольку вода и лед находятся в постоянном механическом равновесии, давление, испытываемое обеими фазами, будет одинаковым. Вспоминая, что давление в данной фазе при данном конкретном объеме описывается наклоном линии, касательной к ее кривой F ( v ) в этом объеме, это физическое ограничение можно проиллюстрировать «параллельной касательной». как показано на рис.2б, где удельные объемы и энергии каждой фазы для данной фазовой фракции льда определяются точками на кривых F ( v ) для воды и льда, которые дают параллельные касательные между фазами.

Использование этой конструкции параллельного тангенса для отслеживания непрерывности давления между фазами аналогично построению тангенса, первоначально использованному Гиббсом для описания непрерывности химического потенциала между фазами в бинарных системах при постоянных температуре и давлении ³⁰ .Во время роста льда в изохорной системе (и сопутствующего уплотнения обеих фаз) касательные линии будут оставаться параллельными, постепенно увеличивая наклон до тех пор, пока две линии не сольются и не образуют общую касательную, которая отмечает показанное двухфазное равновесное состояние. на рис. 1 и обеспечивает равновесное давление P _{равновесное} .

Математическая формулировка системы

В предыдущем разделе было установлено, что в изохорной системе удельные свободные энергии воды и льда не остаются постоянными в процессе зарождения и роста, вместо этого динамически сдвигаются вдоль соответствующих F ( против )| _T кривые по построению параллельной касательной.Чтобы математически описать это поведение, необходимо выражение, связывающее удельные объемы (и, следовательно, свободные энергии) фаз в зависимости от роста зародышей льда.

Для замкнутой изохорной системы должны сохраняться масса и объем

,$$

(2)

$$V_{{\mathrm{система}}} = V_{{\mathrm{лед}}} + V_{{\mathrm{вода}}},$$

(3)

, что дополнительно подразумевает сохранение удельного объема.Однако заметим, что сохранение удельного объема не принимает вид v _{система}  =  v _лед  +  v _вода , как можно было бы ожидать, поскольку удельный объем системы сам по себе не является естественно сохраняющееся количество; вместо этого он сохраняется как простое математическое следствие сохранения массы и объема системы и, таким образом, имеет вид:

$$v_{{\mathrm{system}}} = \frac{{V_{{\mathrm{system} }}}}}{{m_{{\mathrm{система}}}}} = \frac{{V_{{\mathrm{лед}}} + V_{{\mathrm{вода}}}}}{{m_ {{\ mathrm {лед}}} + m_ {{\ mathrm {вода}}}}}.$$

(4)

Требование одинакового давления во всей системе является окончательным ограничением. Используя параллельную касательную логику, давление льда и воды во время неравновесного процесса зародышеобразования можно отследить по кривым F – v по их производным:

$$- \left( {\ frac {{{ \mathrm{d}}F_{{\mathrm{вода}}}}}{{{\mathrm{d}}v}}} \right)|_{v_{{\mathrm{вода}}}} = — \left( {\ frac {{{\ mathrm {d}} F_ {{\ mathrm {ice}}}}} {{{\ mathrm {d}} v}}} \right) | v_ {{\ mathrm { лед}}}.$$

(5)

В дополнительном примечании 1 мы используем эти четыре ограничения для определения удельных объемов каждой фазы в зависимости от объема ядра ( v _воды ( V _льда ), v _воды ( V _лёд )) вдоль координаты реакции процесса нуклеации. Таким образом, эти удельные объемы дают удельную свободную энергию как для воды, так и для льда: ( V _лед )) в зависимости от объема ядра льда, что позволяет определить барьер зародышеобразования.

Вывод изохорного барьера зародышеобразования

Рассмотрим теперь два состояния, которые может занимать изохорная система (рис. 2а, в) при установленных физических ограничениях (рис. 2г). Для наглядности опишем полную свободную энергию системы с переменным ∅ и удельные свободные энергии Гельмгольца каждой фазы как F _вода и F _лед . Нижние индексы 1 и 2 будут использоваться для обозначения значений параметров в состояниях 1 и 2.

В состоянии 1 вся система находится в жидкой фазе, поэтому ее свободная энергия определяется выражением:

$$\emptyset _1 = F_{{\mathrm{water}}_1}m_{{\mathrm{system }}},$$

(6)

, в котором \(F_{{\mathrm{вода}}_1} = F_{{\mathrm{вода}}}\left( {v_{{\mathrm{вода}}_1} = v_{{\mathrm{ система}}}} \справа)\). В состоянии 2 образовалось ядро ​​льда-1h с абсолютным объемом 90 792 V 90 793 90 219 льда 90 220, разделяющее систему на две фазы с удельным объемом 90 792 v 90 793 90 219 воды 90 220 ( 90 792 V 90 793 90 219 льда 90 220 ) и 90 792 v 902 793 льда . ( В _лёд ).Определив долю ледяной фазы системы как

$$f = \frac{{m_{{\mathrm{ice}}}}}{{m_{{\mathrm{system}}}}} = \frac{{ V_{{\mathrm{ice}}}v_{{\mathrm{system}}}}}{{v_{{\mathrm{ice}}}V_{{\mathrm{system}}}}}$$

(7)

и с учетом стандартного межфазного члена свободной энергии γ , который масштабируется с площадью поверхности ядра льда A _льда , полная свободная энергия состояния 2 определяется как:

$$\emptyset _2 = \emptyset _1 + {\mathrm{\Delta}}\emptyset = [F_{{\mathrm{water}}_2} \times \left({1 — f} \right) + F_{{\mathrm{ice} }_2} \times f]m_{{\mathrm{system}}} + \gamma A_{{\mathrm{ice}}},$$

(8)

, в котором \(F_{{\mathrm{вода}}_2} = F_{{\mathrm{вода}}}\left( {v_{{\mathrm{вода}}_2} = v_{{\mathrm{ вода}}}\left( {V_{{\mathrm{лед}}}} \right)} \right)\) и \(F_{{\mathrm{лед}}_2} = F_{{\mathrm{лед }}}\left( {v_{{\mathrm{ice}}_2} = v_{{\mathrm{ice}}}\left( {V_{{\mathrm{ice}}}} \right)} \right )\).Если преобразовать эти уравнения и сгруппировать определенные члены свободной энергии по фазам, изменение свободной энергии ∆∅ при образовании ядра определяется как:

$${\mathrm{\Delta}}\emptyset = \emptyset _2 — \emptyset _1 = \left[ {(F_{{\mathrm{вода}}_2} — F_{{\mathrm{вода}}_1}) + (F_{{\mathrm{лед}}_2} — F_{{\mathrm {water}}_2})f} \right]m_{{\mathrm{system}}} + \gamma A_{{\mathrm{ice}}}.$$

(9)

Два члена разности энергий в уравнении. (9) имеют четкое и значимое физическое значение.\((F_{{\mathrm{water}}_2} — F_{{\mathrm{water}}_1})\) описывает «штраф за изохорный рост» или энергию, необходимую для повышения давления в системе и уплотнения водной фазы. , который должно обеспечить возникающее ледяное ядро, чтобы расти. Этот член всегда будет положительным. \((F_{{\mathrm{лед}}_2} — F_{{\mathrm{вода}}_2})\), которое всегда будет отрицательным, дает разность объемной свободной энергии между фазами при их нынешнем удельном объемы, взвешенные по доле фаз f , чтобы уловить двухфазный характер равновесной системы.

Таким образом, изменение свободной энергии, сопровождающее образование ледяного ядра в изохорной системе, может быть сведено к следующему: Дельта }} F_ {{\ mathrm {изохорный}} \, {\ mathrm {рост}}} + {\ mathrm {\ Delta}} F_ {{\ mathrm {bulk}}} f} \ right] m_ {{\ mathrm{система}}} + \gamma A_{{\mathrm{ice}}}.$$

(10)

Пограничные и объемные условия свободной энергии в уравнении. (10) примерно аналогичны найденным в классической теории нуклеации; первое будет масштабироваться с площадью поверхности ядра в положительном направлении, второе — с его объемом или массой в отрицательном.Однако важно отметить, что в формулировке Гиббса разница объемной свободной энергии между водой и льдом считается постоянной, тогда как в изохорной системе она изменяется в зависимости от доли ледяной фазы, уменьшаясь по величине по мере того, как лед растет как отражение того факта, что конечной термодинамической целью системы является состояние двухфазного равновесия вода-лед, а не полное замерзание.

Штраф за изохорный рост уникален для систем с ограниченным объемом и будет показан далее, чтобы коренным образом изменить поведение зародышеобразования.

Кинетические эффекты изохорного удержания

На рис. 3а мы изображаем общее изменение свободной энергии ∆∅ вместе с тремя отдельными вкладами энергии; межфазная энергия, объемная энергия и штраф изохорного роста. Наши расчеты для рис. 3а описывают одиночное ядро ​​льда-1h сферической геометрии в системе с абсолютным объемом V _с ~2 × 10 ⁻²²  m ³ при температуре −4,15 °C, с предполагаемое межфазное соотношение свободной энергии ³¹ из γ  = (28.0 + 0,25 T ) мДж м ⁻² (дополнительные параметры доступны в дополнительном примечании 2). На рисунке 3b представлены дополнительные кривые Δ∅ для той же температуры, но с разными абсолютными объемами системы В _с . Эти графики показывают принципиальную разницу между льдообразованием при постоянном объеме и льдообразованием при постоянном давлении: в классической постановке Гиббса кривая Δ G (радиус) имеет одну критическую точку, а в изохорной системе — две критические точки.

Рис. 3: Кинетика нуклеации в изохорных системах.

a Полное изменение свободной энергии Δ∅, сопровождающее образование сферического ядра льда-1h, в зависимости от радиуса. Компоненты межфазного, изохорного роста и объемной свободной энергии, вносящие вклад в общую величину, наносятся независимо друг от друга. b Кривые Δ∅ для различных абсолютных объемов системы. Предел Гиббса дает поведение системы на пределе бесконечного объема системы, а предел Гельмгольца — на критическом объеме системы, при котором кривая свободной энергии начинает монотонно возрастать. c Критический радиус как функция объема системы при различных температурах, с отмеченными критическими объемами системы. d Диаграмма состояния критического объема системы в зависимости от температуры. В кинетически преобладающем режиме все кривые ∆∅ будут монотонно возрастать, и, таким образом, не будет существовать кинетического пути к зародышеобразованию.

Классически критическая точка кривой свободной энергии является максимальной и определяет барьер зародышеобразования или энергетический барьер, после которого продолжающийся рост льда будет бесконечно снижать свободную энергию системы до тех пор, пока в целом не изменится фаза.Однако в изохорном случае рост льда не является бесконечным — он должен прекратиться при достижении равновесной фазовой доли в соответствии с фазовой диаграммой T–V (рис. 1в, г). Это ограничение кинетически улавливается изохорным членом роста, и, таким образом, кривые ∆∅ могут иметь две критические точки: первая представляет собой максимум, в котором объемная движущая сила фазового перехода преодолевает штраф за образование новой границы раздела фаз, а вторая — минимум, при котором энергия изохорного роста преодолевает объемную движущую силу.

Важно отметить, что поскольку член изохорного роста является функцией абсолютного объема системы (масштабируется как V _лед / V _sys ), его вклад исчезает при бесконечном пределе объема, что согласуется с интуицией. В этом случае, который мы обозначаем как предел Гиббса на рис. 3b, кривая свободной энергии Δ∅ будет идентична кривой свободной энергии, полученной с использованием классической формулировки Гиббса, с наличием только начального максимума.

И наоборот, по мере уменьшения объема системы относительный вклад члена изохорного роста увеличивается, вводя как вторую критическую точку (соответствующую ограничению фазовой доли), так и увеличивая критический радиус барьера зародышеобразования.Это увеличение показано на рис. 3c в зависимости от абсолютного объема системы для различных температур ниже точки замерзания. Отметим, что при температурах, близких к температуре замерзания, влияние объемного ограничения на изохорную нуклеацию может быть значительным даже при относительно больших объемах системы — порядка микрон.

Наш вывод также показывает существование дискретного абсолютного объема системы, который мы называем критическим объемом удержания, ниже которого вторая критическая точка достигает энергии, равной первой, стирая точку перегиба между ними и давая свободное ядро. кривая энергии, монотонно возрастающая с радиусом.Репрезентативная кривая свободной энергии при этом пороге абсолютного объема обозначена как предел Гельмгольца на рис. 3b. Эти критические объемы удержания также отмечены на кривых критического радиуса на рис. 3с, указывая объем системы, при котором критический радиус для зародышеобразования станет бесконечным. Эти критические объемы системы затем наносятся на график независимо от температуры на рис. 3d, в результате чего получается «кинетическая фазовая диаграмма» для замерзания воды в замкнутых объемах. Наша кинетическая фазовая диаграмма показывает уникальное следствие для систем постоянного объема: существует объемный режим, при котором зарождение льда-1h из переохлажденного жидкого состояния кинетически невозможно.

Примечательно, что существование льда в этом режиме термодинамически не запрещено — сравнивая рис. 3c с рис. 1d видно, что эти критические объемы ядер льда на порядки меньше предела равновесной доли фазы. Эти результаты показывают, что лед теоретически может существовать при таких объемах системы (например, если кристалл льда был искусственно засеян в систему, а затем объем был ограничен), но что переохлажденная вода просто не имеет кинетического пути к замерзанию в достаточно замкнутой изохорной системе.