Pochemu24.ru

Ответы на вопросы о детях, бизнесе, психологии и жизни в целом

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

На какую глубину может замерзнуть вода в пруду, замерзнет ли она до дна? Или есть глубина, на которой замерзание не происходит?

Теоретически, когда холодно (напр., при несуществующей в природе температуре -1000000ºС), может ли Марианская впадина замерзнуть до дна, или от определенного слоя лед создает некую изоляцию, где существуют другие «законы», не позволяющие ледяной воде замерзать?

Известно, что в обычных водоемах при нормальных земных зимних температурах полное замерзание не происходит. Чем это обусловлено? Почему не замерзает вода под толстым слоем льда даже при сильном морозе?

На какую глубину может замерзнуть вода в пруду?

Сначала определим минимально возможную температуру – ее показатель находится непосредственно над -273,15°С. Температура ниже -273,15ºС не может быть достигнута.

Разница температур является критической для скорости теплопередачи, следовательно, чем больше эта разница, тем быстрее происходит замерзание. Т.е., даже при температуре -0,1°C (но постоянной) вода замерзнет. Но существуют и другие эффекты.

НА КАКУЮ ГЛУБИНУ МОЖЕТ ЗАМЕРЗНУТЬ ВОДА В ПРУДУ?
  • Первый фактор – соленость воды. У соленой воды температура таяния/замерзания ниже, чем у воды в пруду. Поэтому, даже если все пруды замерзнут, море не замерзнет (температура таяния соленой воды зависит от уровня солености, составляет примерно -5°С).
  • Другим эффектом – в случае Марианской впадины – является отношение температуры таяния к давлению. Чем выше давление, тем ниже температура таяния. Поэтому на больших глубинах вода замерзает при более низких температурах, чем на поверхности.

Но даже этот эффект не снижает температуру таяния до/ниже -273,15°C. Из этого следует, что спустя долгое время, вода замерзнет даже на дне водоема. Но для этого требуется действительно много времени и постоянное охлаждение.

Поддерживание постоянной низкой температуры – это наиболее важный фактор, поскольку при замерзании льда выделяется тепло, нагревающее окружающую область.

Может ли мелкий пруд замерзнуть до дна?

Да, в мелких водоемах это теоретически возможно, ведь в лужах это происходит. При замерзании воды в лед происходит отвод тепла от нее, охлаждение до температуры замерзания. При замерзании следующего слоя, отдаленного от уровня воды, тепло должно отводиться через уже созданный ледяной слой.

МОЖЕТ ЛИ МЕЛКИЙ ПРУД ЗАМЕРЗНУТЬ ДО ДНА?

Конечно, это можно смоделировать, например, пренебрегая потоком воды, рассматривая только одномерный водяной столб, отводящий тепло с верхней части.

Похожая статья -  Почему человек пукает, причины газообразований

Основные параметры воды и льда указаны в стандартных таблицах средней школы. Например, интересно, что теплопроводность льда почти в 2 раза меньше, чем у воды. Это объясняет присутствие воды в жидком состоянии под ледяным слоем.

Лед отдает тепло при замерзании, при этом, не пропуская мороз извне. Следовательно, температура воды под ним не опускается ниже 0ºС.

Лед, плавающий на воде

С научной точки зрения это означает, что плотность воды больше, чем льда, соотношение составляет примерно 12:11.

Такое поведение не очень распространено, обычные вещества (воск, металлы) имеют соотношение плотностей противоположное. Но у воды отношение плотности относительно велико. Это свойство имеет несколько последствий, некоторые из которых известны всем: если положить пиво в морозильник и забыть о нем, бутылка лопнет.

Давление при -22°С может достигать 210 МПа (2000 атмосфер), что способно разорвать стальную гранату! Т.е. давление и соотношение плотностей воды и льда также может быть ответом, почему не замерзает вода под толстым слоем льда.

ЛЕД, ПЛАВАЮЩИЙ НА ВОДЕ

Интересно! Определенная «антианомалия» – это тяжелый лед (из тяжелой воды, где водород был заменен более тяжелым изотопом водорода – дейтерием) не плавает в обычной воде, его плотность почти на 2% больше, чем воды.

Если кусок тяжелого льда попадает в обычную воду, он тонет. Но когда его часть тает и сгущает окружающую воду, он поднимается на поверхность.

Объясненная плотность воды и льда

Окружность молекулы воды четырехцепочечная. Но это также означает, что рядом с такой молекулой имеется много места, потому что короткие молекулы, связанные под углом около 110°, не могут сложиться «экономно».

У льда все молекулы – точные тетраэдры, около них имеется много пустого пространства, поэтому лед легче. В случае воды четырехцепочная структура лишь приблизительная, поэтому иногда некоторые молекулы (с меньшим количеством водородных связей) попадают в свободные пространства.

Похожая статья -  Почему мусульманам нельзя есть свинину

При более низких температурах структура приближается к правильной, поэтому плотность воды уменьшается. В то же время тепловое движение вызывает увеличение объема (уменьшение плотности) – это явление преобладает при температуре выше +4°C.

ОБЪЯСНЕННАЯ ПЛОТНОСТЬ ВОДЫ И ЛЬДА

Аналогичные результаты будут получены из пятиугольных молекул. В непосредственной близости от пятиугольников (более распространенных при низких температурах) больше пустого пространства, т.е., воздуха, который не дает воде замерзнуть, несмотря на холод.

Занимательная физика: вода, отказывающаяся замерзать

Каждый ребенок знает, что когда температура опускается ниже 0ºС, вода замерзает, превращается в лед. Но это не всегда так. Это можно продемонстрировать в ходе простого теста.
Для его проведения нужно:

  • водопроводная вода (из крана);
  • миска;
  • ложка;
  • соль;
  • термометр.

Как провести тест?

Налейте около 200 мл воды (примерно, 1 стакан) в миску, добавьте несколько чайных ложек соли. Чем больше соли, тем лучше. Размешайте. Поместите миску на несколько часов в морозильник, например, на ночь.

1 стакан льда

Вынув миску с водой из морозильника, вы обнаружите, что вода не замерзла, а осталась жидкой. Это странно, потому что все остальное в морозильнике заморожено!
С помощью термометра убедитесь, что температура воды ниже 0°C. Но вода должна замерзнуть при 0°С!

Как это возможно?

Вода обычно замерзает при 0°C, но для этого необходимо соблюдение определенных условий. Например, должно присутствовать нормальное давление (около 1000 гПа). Другое условие – чистота воды. Но используемая в тесте вода очень соленая («не чистая»), поэтому температура ее замерзания ниже 0°C.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Наверх