При какой температуре замерзает вода в горах? - shirincafe.ru

При какой температуре замерзает вода? Казалось бы – самый простой вопрос, на который может ответить даже ребенок: точка замерзания воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт.ст равна нулю градусов по Цельсию.

Однако вода (несмотря на ее чрезвычайно широкое присутствие на нашей планете) – самое загадочное и не до конца изученное вещество, поэтому ответ на этот вопрос требует тщательного и аргументированного обсуждения.

В России и Европе температура измеряется по шкале Цельсия, максимальное значение которой составляет 100 градусов.
Американский ученый Фаренгейт разработал свою шкалу из 180 делений.
Есть еще одна единица измерения температуры: кельвин, названный в честь английского физика Томсона, получившего титул лорда Кельвина.

Состояния и виды воды

Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твердое и газообразное, которые могут трансформироваться в разные формы, сосуществуя одновременно друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках неба, ледники и речки с быстрым течением).

В зависимости от характеристик происхождения, назначения и состава вода может быть:

свежая;
минеральная;
морская;
питьевая (сюда мы включаем воду из-под крана);
дождевая;
размороженная;
солоноватая;
структурированная;
дистиллят;
деионизированная.

Все мы знаем, что вода бывает мягкой и жесткой – этот показатель определяется содержанием катионов магния и кальция. Каждый из перечисленных нами типов и агрегатных состояний воды имеет свои температуры замерзания и плавления.

Зависимость от атмосферного давления

С набором высоты атмосферное давление снижается. Чем выше вы поднимаетесь на гору, тем сильнее меняется точка замерзания воды. На высоте в один километр кристаллизация происходит только при + 2?С. Поднявшись еще на километр, вы увидите, что лед образуется при + 4?С. Нулевая температура способствует переходу в твердое состояние только при нормальном атмосферном давлении – 760 мм рт.

Следовательно, с уменьшением давления воздуха температура, необходимая для замерзания воды, увеличивается. Но при более низких значениях начинает закипать.

Температура замерзания воды

Почему замерзает вода? Обычная вода всегда содержит определенное количество взвешенных частиц минерального или органического происхождения. Это могут быть мельчайшие частицы глины, песка или домашней пыли.

Когда температура окружающей среды падает до определенных значений, эти частицы принимают на себя роль центров, вокруг которых начинают формироваться кристаллы льда.

Пузырьки воздуха также могут стать ядрами кристаллизации, а также трещинами и повреждениями стенок сосуда, в котором находится вода. Скорость процесса кристаллизации воды во многом определяется количеством этих центров – чем их больше, тем быстрее замерзает жидкость.

Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной?

Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная: это явление заметил Эрасто Мпемба, ученик Танганьики. Его эксперименты с массой мороженого показали, что скорость замораживания нагретой массы намного выше, чем у холодной.

Одна из причин этого интересного явления, получившего название «парадокс Мпемба», – это большая теплопередача горячей жидкости, а также наличие в ней большего количества зародышей кристаллизации, чем в холодной воде.

Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота?

По мере изменения давления, часто связанного с разной высотой, точка замерзания воды начинает кардинально отличаться от стандартной характеристики для обычных условий. Кристаллизация воды на больших высотах происходит при следующих значениях температуры:

как ни парадоксально, но на высоте 1000 м вода замерзает на 2 градуса Цельсия;
на высоте 2000 метров это происходит уже при 4 градусах Цельсия.

Наивысшая точка замерзания воды в горах наблюдается на высоте более 5000 тысяч метров (например, в Фанских горах или на Памире).

Как давление влияет на процесс кристаллизации воды?

Попробуем связать динамику изменения точки замерзания воды с изменением давления.

При давлении 2 атм вода замерзнет при температуре -2 градуса.
При давлении 3 атм начало замерзания воды будет при температуре -4 градуса Цельсия.

Вот почему даже яйца сварить на большой высоте и в разреженной атмосфере очень сложно, так как вода в кастрюле уже кипит при 80 градусах. Понятно, что приготовить еду при такой температуре просто невозможно.

При высоком давлении процесс таяния льда под лезвиями коньков происходит даже при очень низких температурах, но именно благодаря ему коньки скользят по поверхности льда.

Подобным образом объясняется замерзание бегунов-тяжеловесов в рассказах Джека Лондона. Тяжелые санки, давя на снег, заставляют его таять. Образовавшаяся вода облегчает их скольжение. Но как только санки остановятся и долго будут стоять на одном месте, вытесненная замерзшая вода заморозит бегунов на дороге.

Температура кристаллизации водных растворов

Вода, являясь прекрасным растворителем, легко вступает в реакцию с различными органическими и неорганическими веществами, образуя массу иногда неожиданных химических соединений. Конечно, каждый из них замерзнет при разной температуре. Отразим это в наглядном списке.

Температура замерзания смеси спирта и воды зависит от процентного содержания в ней обоих компонентов. Чем больше воды добавлено в раствор, тем ближе к нулю его точка замерзания. Если в растворе будет больше спирта, процесс кристаллизации начнется при значениях, близких к -114 градусам.

Соленая вода кристаллизуется при разных температурах воздуха. Ключ – соленость, измеряемая в промилле (‰).

Для измерения солености воды используется специальная единица измерения – «промилле». Таким образом, мы установили, что температура замерзания воды снижается с увеличением концентрации соли. Поясним это на примере:

Соленость океанской воды составляет 35 частей на миллион, средняя температура замерзания составляет 1,9 градуса. Соленость черноморских вод составляет 18-20 промилле, поэтому они замерзают при более высокой температуре в диапазоне от -0,9 до -1,1 градуса Цельсия.

Температура замерзания воды с сахаром (для раствора молярностью 0,8) -1,6 градуса.
Температура замерзания воды с примесями во многом зависит от их количества и природы примесей, входящих в состав водного раствора.
Температура замерзания воды с глицерином зависит от концентрации раствора. Раствор, содержащий 80 мл глицерина, замерзнет при -20 градусах, при уменьшении содержания глицерина до 60 мл процесс кристаллизации начнется при -34 градусах, а начало замораживания 20% раствора – минус пять градусов. Как видите, в этом случае нет линейной зависимости. Для замораживания 10% раствора глицерина хватит температуры -2 градуса.
Температура замерзания воды с содой (что означает едкая щелочь или едкий натр) представляет еще более загадочную картину: 44% раствор едкого натра замерзает при +7 градусах Цельсия и 80% при +130.

Замерзание пресных водоёмов

В озере или реке вода замерзает при 0?С. Процесс кристаллизации воды может служить признаком того, что резервуар очень чистый – он начинается снизу, так как здесь больше всего ядер кристаллизации: камни, слезы, растения.

Иная ситуация с морями и океанами. Морская вода замерзает при различных значениях ниже нуля. Чем он соленее, тем выше его плотность, поэтому для замораживания требуются более низкие температуры. Морская вода имеет разную степень солености в разных частях мирового океана. При среднем значении 35 ‰ превращение в лед начнется при -1,91 ° C.

Процесс образования льда в пресноводных водоемах происходит в несколько ином температурном режиме.

Температура замерзания воды в озере, как и точка замерзания воды в реке, составляет ноль градусов по шкале Цельсия. Замерзание более чистых рек и ручьев начинается не с поверхности, а со дна, на котором есть очаги кристаллизации в виде донных частиц ила. Сначала коряги и водные растения покрываются коркой льда. Когда придонный лед поднимается на поверхность, река мгновенно замерзает.
Замерзшая вода на Байкале иногда может остыть до минусовых температур. Это происходит только на мелководье; температура воды в этом случае может составлять тысячные, а иногда и сотые градуса ниже нуля.
Температура воды Байкала под самой коркой ледяного покрова, как правило, не превышает +0,2 градуса. В нижних слоях она постепенно повышается до +3,2 на дне более глубокого бассейна.

Температура замерзания дистиллированной воды

В отличие от водопроводной воды, дистиллированная вода не содержит примесей. Его получают перегонкой в перегонном кубе. Оказывается, в такой жидкости нет зародышей кристаллизации. Благодаря этой особенности замерзание начинается при гораздо более низкой температуре, равной -42?С.

Когда вода, подвергающаяся воздействию низких температур, не кристаллизуется, это называется «переохлаждением». Если ударить такой жидкостью корабль, он сразу превратится в лед.

В лабораторных условиях ученым удалось добиться более низкого порога кристаллизации, когда дистиллированная вода замерзала под специальным давлением при -70?С.

Дистиллированная вода: замерзает это очищенное вещество под давлением или нет? Такой процесс возможен только в специально созданных лабораторных условиях.

Температура замерзания соленой воды

Морозится ли соленая вода? Из-за высокой концентрации солей океанская и морская вода замерзает при температуре -1,9 градуса по Цельсию.
Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, так как соленость воды в разных морях Мирового океана совершенно разная.
Как температура замерзания океанской воды зависит от ее солености? Между этими величинами существует прямая связь. Чем соленее вода, тем выше ее плотность и требуется достаточно низкая температура, чтобы эта вода замерзла.
Средняя температура воды в морях и океанах -4 градуса.

Температура замерзания отдельных морей

На сколько градусов замерзает вода:

Каспийское море? Соленость каспийских вод составляет около 13 промилле. Они замерзают при -0,5 градуса по Цельсию. Толщина ледникового покрова в северной части Каспийского моря составляет около двух метров.
Азовское море? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по Цельсию. Соленость составляет около 11 промилле. Толщина льда, покрывающего море в период с декабря по март, равна одному метру.
Японское море? Почему не замерзает соленая вода в этом море? Это связано с высоким уровнем солености (около 34 ppm) и географическим положением моря.
Балтийское море? При солености всего 6-8 частей на миллион точка замерзания морской воды в Балтийском море близка к нулю.

Температура замерзания омагниченной воды

Люди, интересующиеся структурированием воды, вероятно, слышали о том, как жидкость подвергается воздействию магнитных полей определенной интенсивности. В результате получается намагниченная вода, которая благотворно влияет на различные органы, убивает микробы и бактерии. Кроме того, сторонники этого метода утверждают, что полив структурированной водой в несколько раз увеличивает урожай огурцов, томатов и других культур. Чудесным образом замерзает вода при температуре -5-10 градусов ниже нуля, что в какой-то мере защищает растения от заморозков.

Бытовые случаи

Конечно, людей больше интересуют бытовые проблемы, а не вопрос, при какой температуре замерзает вода, например, в Каспийском море. Что будет, если выключить отопление? Уже при -1?C внутри жилого дома вода в трубах начнет замерзать. Если этого не предотвратить в течение 2-3 дней, лед в радиаторе и трубах отопления расширится и сломает их. Что будет при выходе из строя котла в частном доме или на даче? При температуре 5 градусов ниже нуля вода в трубах и радиаторе замерзнет за пару дней. При хорошей теплоизоляции система отопления прослужит дольше.

Головная боль автомобилистов – замерзание воды в радиаторе с наступлением холодов. Кристаллы льда начинают образовываться снаружи при -5?C, объем жидкости увеличивается до 10%. Это может привести к повреждению основных узлов и частей автомобиля. Однако различные антифризы имеют значительно более низкие температуры замерзания и более высокие температуры кипения. Эти растворы начинают кристаллизоваться в радиаторе при температуре ниже 30?С, у некоторых марок при -60?С.

Экспресс-ответы

На сколько градусов замерзает вода:

В трубах отопления? При отключении отопления или выходе из строя отопительного котла в частном доме или на даче примерно через пару дней может произойти замерзание воды в них при температуре -5 градусов. Теплоизоляция труб и других элементов здания поможет отсрочить наступление такого результата. Внутри дома замерзание воды в трубах происходит уже при -1 градусе. Если эта температура сохранится в течение 2-3 дней, это может привести к разрыву труб и змеевиков.
Под землей? Подземные воды могут быть жидкими, твердыми и парообразными. Твердая фаза воды в почве – лед, который может быть многолетним (в условиях вечной мерзлоты) или сезонным. Замерзание грунтовых вод происходит при минусовых температурах, так как не все они чистые, а всевозможные ее растворы. Значение точки замерзания во многом зависит от солености грунтовых вод.
На лету? У жителей Якутии есть простой способ определить температуру воздуха: она ниже -42 градуса, если выпущенная человеком коса успевает замерзнуть, не достигнув земли.
В пустоте? Содержимое пробирки, помещенной под колпак вакуумного насоса при температуре 0 градусов, сначала закипает, а после испарения одной восьмой жидкости на ее поверхности образуется ледяная корка.
В автомобильном двигателе? Максимальная температура замерзания воды в двигателе может достигать -5 градусов: при более низких значениях кристаллы льда просто нарушат внутреннюю структуру блока цилиндров. Температура замерзания воды в радиаторе точно такая же. Подобные проблемы в автомобиле могут возникнуть из-за недостаточной шумоизоляции вышеперечисленных агрегатов, а также из-за слишком долгой стоянки.
На дороге? В зависимости от типа соревнований, которые должны проходить на ледовой арене, температура поверхности льда может колебаться от -3 до -5 градусов. Лед с более высокой температурой поверхности (от -3 до -4) подходит для фигурного катания, поскольку именно его мягкость обеспечивает необходимое сцепление с коньками. Самый твердый лед, подходящий для командного хоккея, получается при температуре -5 градусов. На «холодном» льду увеличивается скорость игроков и уменьшается вероятность образования снежной «кашицы» на его поверхности. Качество льда в основном зависит от химического состава воды, поэтому для его заливки используется не обычная водопроводная жидкость, а очищенная вода или вода, обработанная специальными кондиционерами.

Вода занимает две трети поверхности земли и примерно столько же – в теле каждого из нас. Вода есть повсюду, однако она еще до конца не изучена и даже ее простейшие свойства оставляют много вопросов. Например, каждый школьник знает, что H2O может находиться в трех состояниях: в жидком виде это вода, в газообразном виде – пар и в твердом виде – лед. Но ответ на вопрос, при какой температуре замерзает вода, так очевиден?

Что влияет на градус замерзания

Давайте представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0 ° C – вода, как известно, замерзает именно до этой степени – и в эту среду мы помещаем кусок льда и жидкую воду. Что случится? На самом деле ничего: вода не замерзнет и лед не начнет таять. Объяснение заключается в том, что в этой модели нет условий для фазового перехода.

Проще говоря: помимо понижения температуры до определенной точки на замерзание воды влияют и другие факторы. Одним из них является атмосферное давление, создаваемое гравитационным притяжением воздуха на Земле. А точка замерзания воды напрямую зависит от давления.

Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, тем ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды.

На высоте 1000 метров вода замерзает при температуре + 2 ° C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизуется уже при + 4 ° C.

Наличие примесей

Кроме того, на замерзание воды, помимо давления и температуры, влияет ее состав: она содержит в том или ином количестве органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде падает до необходимой степени, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выступают в роли центрального ядра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замораживания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может остыть до минусовых температур, но не замерзнуть.

Следовательно, время замерзания воды зависит от следующих факторов:

атмосферное давление в окружающей среде;
температура воздуха;
количество жидкости;
его химический состав;
в какой емкости находится H 2 O (или отсутствие емкости).

Феноменальные свойства H 2 O

Вот еще несколько фактов об удивительном поведении воды:

Когда он замерзает, молекулы воды расширяются, и ее масса становится тяжелее, чем масса льда. Лед, согласно закону Архимеда, выталкивается на поверхность. Таким образом, природа закрывает водоемы ледяной коркой, защищая и сохраняя все живое в их недрах.
Горячая вода замерзает быстрее, чем холодная. Звучит невероятно, но это так. Это явление получило название «парадокс Мпембы». Дело в том, что у горячей воды больше теплоотдачи и больше насыщения ядрами кристаллизации.
В вакууме при 0 ° C вода сначала закипает, затем одна восьмая испаряется, а оставшееся количество замерзает.
В ходе лабораторных исследований ученые получили так называемую стекловидную воду, аморфное твердое вещество, из которого состоят кометы во Вселенной. Чтобы вода перешла в это состояние, необходимо за несколько миллисекунд понизить температуру до -137 градусов по Цельсию.
Максимальная плотность H 2 O будет при + 4 ° C.