Cum arată particulele de apă când sunt încălzite? Când apa îngheață, se extinde sau se contractă: fizică simplă

În sistemele de încălzire a apei, apa este folosită pentru a transfera căldură de la generatorul său către consumator.
Cele mai importante proprietăți ale apei sunt:
capacitatea termică;
modificarea volumului în timpul încălzirii și răcirii;
caracteristicile de fierbere la schimbarea presiunii externe;
cavitație.
Să ne uităm la date proprietăți fizice apă.

Căldura specifică

O proprietate importantă a oricărui lichid de răcire este capacitatea sa de căldură. Dacă îl exprimăm prin masa și diferența de temperatură a lichidului de răcire, obținem capacitatea termică specifică. Este notat cu litera cși are dimensiune kJ/(kg K) Căldura specifică- aceasta este cantitatea de căldură care trebuie transferată la 1 kg dintr-o substanță (de exemplu, apă) pentru a o încălzi cu 1 °C. În schimb, o substanță eliberează aceeași cantitate de energie atunci când este răcită. Capacitatea termică specifică medie a apei între 0 °C și 100 °C este:
c = 4,19 kJ/(kg K) sau c = 1,16 Wh/(kg K)
Cantitatea de căldură absorbită sau eliberată Q, exprimat în J sau kJ, depinde de masă m, exprimat în kg, capacitate termică specifică cși diferența de temperatură, exprimată în K.

Creșterea și scăderea volumului

Toate materialele naturale se extind atunci când sunt încălzite și se contractă când sunt răcite. Singura excepție de la această regulă este apa. Această proprietate unică se numește anomalie de apă. Apa are cea mai mare densitate la +4 °C, la care 1 dm3 = 1 litru are o masă de 1 kg.

Dacă apa este încălzită sau răcită în raport cu acest punct, volumul ei crește, ceea ce înseamnă că densitatea ei scade, adică apa devine mai ușoară. Acest lucru poate fi văzut clar în exemplul unui rezervor cu un punct de preaplin. Rezervorul conține exact 1000 cm3 de apă la o temperatură de +4 °C. Pe măsură ce apa se încălzește, unele vor curge din rezervor în paharul de măsurare. Dacă încălziți apă la 90 °C, exact 35,95 cm3 se vor turna în recipientul de măsurare, ceea ce corespunde la 34,7 g Apa se dilată și atunci când este răcită sub +4 °C.

Datorită acestei anomalii a apei din apropierea râurilor și lacurilor, acesta este stratul superior care îngheață iarna. Din același motiv, gheața plutește la suprafață și soarele de primăvară o poate topi. Acest lucru nu s-ar întâmpla dacă gheața ar fi mai grea decât apa și s-ar scufunda în fund.

Rezervor cu punct de preaplin

Cu toate acestea, această capacitate de extindere poate fi periculoasă. De exemplu, motoarele auto și pompele de apă pot să spargă dacă apa din ele îngheață. Pentru a evita acest lucru, în apă se adaugă aditivi pentru a preveni înghețarea acesteia. Glicolii sunt adesea folosiți în sistemele de încălzire; Consultați specificațiile producătorului pentru raportul apă/glicol.

Caracteristicile de fierbere ale apei

Dacă apa este încălzită într-un recipient deschis, va fierbe la o temperatură de 100 °C. Dacă măsurați temperatura apei clocotite, aceasta va rămâne la 100 °C până se evaporă ultima picătură. Astfel, consumul constant de căldură este utilizat pentru a evapora complet apa, adică pentru a-și schimba starea de agregare.

Această energie se mai numește și căldură latentă (latentă). Dacă furnizarea de căldură continuă, temperatura aburului rezultat va începe să crească din nou.

Procesul descris este dat la o presiune a aerului de 101,3 kPa la suprafața apei. La orice altă presiune a aerului, punctul de fierbere al apei se schimbă de la 100 °C.

Dacă am repeta experimentul descris la o altitudine de 3000 m - de exemplu, pe Zugspitze, cel mai vârf înalt Germania - am constata că apa de acolo fierbe deja la 90 °C. Motivul acestui comportament este scăderea presiunii atmosferice cu altitudinea.

Cu cât presiunea la suprafața apei este mai mică, cu atât va fi mai scăzut punctul de fierbere. În schimb, punctul de fierbere va fi mai mare pe măsură ce crește presiunea la suprafața apei. Această proprietate este utilizată, de exemplu, în oala sub presiune.

Graficul arată dependența punctului de fierbere al apei de presiune. Presiunea în sistemele de încălzire este crescută intenționat. Acest lucru ajută la prevenirea formării bulelor de gaz în condiții critice de funcționare și, de asemenea, împiedică intrarea aerului din exterior în sistem.

Expansiunea apei la încălzire și protecție împotriva suprapresiunii

Sistemele de încălzire a apei funcționează la temperaturi ale apei de până la 90 °C. De obicei, sistemul este umplut cu apă la 15°C, care apoi se extinde atunci când este încălzită. Această creștere a volumului nu trebuie lăsată să conducă la exces de presiune și depășire de lichid.

Când încălzirea este oprită vara, volumul de apă revine la valoarea inițială. Astfel, pentru a asigura expansiunea nestingherită a apei, este necesar să instalați un rezervor suficient de mare.

Sistemele vechi de încălzire aveau rezervoare de expansiune deschise. Au fost întotdeauna situate deasupra celei mai înalte secțiuni a conductei. Pe măsură ce temperatura din sistem a crescut, determinând extinderea apei, a crescut și nivelul din rezervor. Pe măsură ce temperatura a scăzut, aceasta a scăzut în consecință.

Sistemele moderne de încălzire folosesc rezervoare de expansiune cu membrană (MEV). Când presiunea din sistem crește, presiunea din conducte și alte elemente ale sistemului nu trebuie lăsată să crească peste valoarea limită.

Prin urmare, o condiție prealabilă pentru fiecare sistem de încălzire este prezența unei supape de siguranță.

Când presiunea crește peste normal, supapa de siguranță trebuie să se deschidă și să elibereze excesul de apă pe care rezervorul de expansiune nu îl poate găzdui. Cu toate acestea, într-un sistem atent proiectat și întreținut, o astfel de condiție critică nu ar trebui să apară niciodată.

Toate aceste considerații nu țin cont de faptul că pompa de circulație crește și mai mult presiunea în sistem. Relația dintre temperatura maximă a apei, pompa selectată, dimensiunea vasului de expansiune și presiunea de răspuns a supapei de siguranță trebuie stabilită cu cea mai mare grijă. Selectarea aleatorie a elementelor sistemului - chiar și pe baza costului lor - este inacceptabilă în acest caz.

Rezervorul de expansiune cu membrană este furnizat umplut cu azot. Presiunea inițială din vasul cu diafragmă de expansiune trebuie reglată în funcție de sistemul de încălzire. Apa care se extinde din sistemul de încălzire intră în rezervor și comprimă camera de gaz printr-o diafragmă. Gazele pot fi comprimate, dar lichidele nu.

Presiune

Determinarea presiunii
Presiunea este presiunea statică a lichidelor și gazelor, măsurată în vase și conducte în raport cu presiunea atmosferică (Pa, mbar, bar).

Presiune statica
Presiunea statică este presiunea unui fluid staționar.
Presiune statică = nivelul deasupra punctului de măsurare corespunzător + presiunea inițială în vasul de expansiune.

Presiune dinamică
Presiunea dinamică este presiunea unui flux de fluid în mișcare. Presiunea de refulare a pompei Aceasta este presiunea la ieșirea unei pompe centrifuge în timpul funcționării.

Cadere de presiune
Presiunea dezvoltată de o pompă centrifugă pentru a depăși rezistența totală a sistemului. Se măsoară între intrarea și ieșirea unei pompe centrifuge.

Presiunea de operare
Presiunea disponibilă în sistem atunci când pompa este în funcțiune. Presiune de funcționare admisă Valoarea maximă a presiunii de funcționare permisă pentru funcționarea în siguranță a pompei și a sistemului.

Cavitație

Cavitație- este formarea de bule de gaz ca urmare a apariției presiunii locale sub presiunea de vaporizare a lichidului pompat la intrarea în rotor. Acest lucru duce la o scădere a performanței (presiunii) și a eficienței și provoacă zgomot și distrugerea materialului părților interne ale pompei. Prin prăbușirea bulelor de aer în zonele cu presiune mai mare (cum ar fi ieșirea rotorului), exploziile microscopice provoacă creșteri de presiune care pot deteriora sau distruge un sistem hidraulic. Primul semn al acestui lucru este zgomotul în rotor și eroziunea acestuia.

Un parametru important al unei pompe centrifuge este NPSH (înălțimea coloanei de lichid deasupra conductei de aspirație a pompei). Acesta definește presiunea minimă de admisie a pompei necesară unui anumit tip de pompă pentru a funcționa fără cavitație, adică presiunea suplimentară necesară pentru a preveni formarea de bule. Valoarea NPSH este afectată de tipul rotorului și de viteza pompei. Factorii externi care influențează acest parametru sunt temperatura lichidului și presiunea atmosferică.

Prevenirea cavitației
Pentru a evita cavitația, lichidul trebuie să intre în admisia pompei centrifuge la o anumită înălțime minimă de aspirație, care depinde de temperatură și presiunea atmosferică.
Alte modalități de a preveni cavitația sunt:
Creșterea presiunii statice
Reducerea temperaturii lichidului (reducerea presiunii de vaporizare PD)
Selectarea unei pompe cu o înălțime hidrostatică constantă mai scăzută (înălțime minimă de aspirație, NPSH)
Specialiștii Agrovodcom vă vor ajuta cu plăcere să vă decideți asupra alegerii optime a pompei. Contactaţi-ne!

Clasă: 5

Obiectivele lecției:

• extinde cunoștințele despre apă, proprietățile acesteia, semnificația apei, introduceți conceptele de soluție, suspensie, sensul soluțiilor în natură și viața umană;
• dezvolta observatia, activitatea mentala, cultiva o atitudine grijulie fata de apa.

Echipament:

• sticlă chimică pentru experimente,
• lampă cu alcool,
• substanțe pentru experimente,
• costume pentru picături, să
• carduri pentru munca independentă.

În timpul orelor

Buna baieti! Astăzi lecția noastră este dedicată apei și se numește „Majestatea Sa – Apă”. În timpul lecției ne vom extinde cunoștințele despre apă, ne vom familiariza cu proprietățile acesteia, precum și cu apa ca solvent al substanțelor. Să aflăm ce este o soluție și ce este o suspensie.

Deschidem caietele în care notăm subiectul lecției „Majestatea Sa este apa”.

Fiecare persoană folosește apă pentru gătit și alte nevoi casnice, pentru întreprinderi industriale, pentru cultivarea plantelor și animalelor. Picăturile ne vor spune ce este apa.

Picătura 1: Apa este o substanță familiară și neobișnuită. Oamenii de știință au perfectă dreptate: nu există nicio substanță pe Pământ mai importantă pentru noi decât apa obișnuită. Aproape trei sferturi din suprafața planetei noastre este ocupată de mări și oceane. Apa solidă - zăpadă și gheață - acoperă 20% din teren. Clima planetei noastre depinde de apă. Pământul s-ar fi răcit cu mult timp în urmă și s-ar fi transformat în piatră fără viață dacă nu ar fi fost apă. Când apa se încălzește, absoarbe căldură, iar când se răcește, o eliberează. Apa care este dispersată în atmosferă – în nori sub formă de abur – protejează Pământul de frigul cosmic.

Picătura 2: Apa are multe proprietăți uimitoare care o fac diferită de toate celelalte substanțe. Dar printre ei există un lucru neobișnuit - aceasta este nemurirea ei. Aproximativ un miliard de tone de apă este consumată de omenire pe zi. Dar cantitatea totală de apă nu scade. Oricât de mult a fost acum milioane de ani, există tot atât de mult în timpul nostru.

Picătura 3: Rolul apei în viața de pe Pământ este grozav. Organismele vii de pe planeta noastră s-au adaptat la tot felul de condiții: întuneric complet, căldură și frig. Dar nicio creatură vie nu poate supraviețui fără apă. Toate plantele și animalele conțin apă, la fel și a noastră propriul corp trei sferturi este format din apă. Știați că atunci când o persoană pierde 1 litru de apă (aceasta este aproximativ 2% din greutatea corporală), apare o senzație de sete. Când se pierde 6-8% din umiditate, o persoană cade într-o stare de semi-leșin. Pierderea a 10% din apă provoacă halucinații. Și cu o pierdere de peste 12%, oamenii mor.

Profesor: Deci ce este apa? (Răspunsurile copiilor) Apa este Substanta chimica, care are proprietăți proprii. În caiete notăm: Proprietățile apei.

Sunteți deja familiarizat cu unele proprietăți ale apei. Să le amintim, iar manualul nostru ne va ajuta în acest sens (lucru cu un manual).

Proprietățile apei:

• transparent;
• incolor;
• fără gust și inodor;
• fluid;
• poate fi în trei stări de agregare;
• poate trece de la o stare de agregare la alta.

(Proprietățile apei sunt notate într-un caiet)

Acum să facem cunoștință cu câteva dintre proprietățile sale. Experimentele ne vor ajuta în acest sens.

Echipament:

• 2 baloane cu tub de evacuare a gazului,
• 2 cristalizatoare.

Substante:

• apă,
• apa fierbinte,

Să vedem ce se întâmplă dacă luăm două baloane identice cu apă și marchem nivelul apei cu un semn. Puneți unul în gheață și celălalt în apă fierbinte. Ce se întâmplă?

Observăm că în apa fierbinte, apa din balon se ridică deasupra semnului, iar în balonul, care este coborât în ​​gheață, dimpotrivă, scade.

Concluzionăm că apa se dilată când este încălzită și se contractă când este răcită.

Să vedem o altă experiență.

EXPERIENTA 2:

(Experiența este demonstrată de student ca teme finalizată)

Echipament:

• sticla de sticla cu dop.

Substanţă:

Student: Am luat o sticlă de sticlă, am umplut-o cu apă, am închis-o bine și am scos-o la rece. Când apa a înghețat, sticla a izbucnit și s-a rupt în bucăți. Acest lucru s-a întâmplat deoarece apa se extinde atunci când îngheață.

Odată, oamenii de știință au efectuat un experiment similar cu acesta, dar în loc de o sticlă, au luat o minge de fontă, au umplut-o cu apă, au înșurubat-o în găuri și au pus-o într-un îngheț puternic. Apa, înghețată, a sfâșiat mingea. Atât de mare este puterea de a extinde apa.

Profesor: Băieți, după ce am demonstrat experimentele, ce concluzie se poate trage? Ce proprietăți, împreună cu cele pe care le-am notat, are apa? (Răspunsurile copiilor)

Să notăm proprietățile apei în caietele noastre:

• apa se dilată atunci când este încălzită;
• Apa se contractă când este răcită;
• Apa se extinde atunci când îngheață.

Este timpul să consolidăm cunoștințele acumulate în lecția noastră. Va rog sa-mi raspundeti la urmatoarele intrebari:

1. Dacă turnați apă într-un ceainic sau o tigaie până la refuz și începeți să o încălziți, atunci după un timp apa începe să stropească peste margine. De ce se întâmplă asta? (Apa se dilată când este încălzită)
2. De ce grădinarii scurg întotdeauna apa din țevile din parcelele lor de grădină înainte de începutul iernii? (Când apa îngheață, se extinde și, prin urmare, pentru a preveni spargerea țevilor, grădinarii drenează apa)
3. Apa intră în cele mai mici crăpături ale stâncilor, provocând prăbușirea stâncilor. Cu ce ​​proprietate a apei este legată aceasta? (Distrugere stânci din cauza expansiunii apei atunci când îngheață)
4. Se știe că atunci când este încălzită mult timp, apa fierbe. Punctul de fierbere este de o sută de grade. Apa clocotită este folosită în viața de zi cu zi și în producție. Unde poți găsi în natură apa fierbinte? (În gheizere).

Când este încălzit și fiert, aburul se ridică deasupra apei - are loc evaporarea. Să notăm definiția (lucrarea cu caiete) în caietele noastre.

Evaporarea este transformarea apei lichide în apă gazoasă.

Evaporarea are loc la orice temperatură, dar la temperaturi mai ridicate evaporarea are loc mai repede. De exemplu: bălțile se usucă după ploaie atât vara fierbinte, cât și toamna rece, dar vara se usucă mai repede decât toamna.

EXPERIENTA 3:

(Experiența este demonstrată de un grup de studenți ca teme finalizate)

Dotare: ceașcă de măsurat, 3 căni, 4 pahare identice.

Substanţă:

• apă..

Student: Am luat o cană de măsurat și am măsurat 100 ml de apă în fiecare cană. Cești cu apă au fost așezate unul pe pervaz, altul pe masă, al treilea lângă calorifer. A doua zi au fost comparate rezultatele. Am luat pahare identice, am turnat 100 ml apă în primul (martor), iar în celelalte trei am turnat apă din căni. Comparăm rezultatele obținute: apa din cana care stătea pe pervaz s-a evaporat cu o treime, în ceașca care stătea pe masă - la jumătate, iar ceașca care stătea lângă calorifer a fost complet uscată - apa s-a evaporat complet. Să conchidem: cu cât temperatura ambiantă este mai mare, cu atât se produce evaporarea mai rapidă.

Profesor: Ne vom familiariza cu semnificația evaporării în viața oamenilor și a animalelor pe paginile manualului (lucrul cu manualul).

Răspunde-mi la întrebări pentru consolidare.

1. Ce este evaporarea apei? (Conversia apei lichide în apă gazoasă)
2. Cum afectează temperatura și vântul evaporarea apei? (Cu cât temperatura este mai mare și cu cât vântul este mai puternic, cu atât se produce evaporarea mai rapidă)
3. Când se vor usca rufele mai repede: pe vreme vântoasă sau calmă? (Într-o zi cu vânt)

Să ne uităm la un alt experiment.

EXPERIENTA 4:

Echipament:

• lampă cu alcool,
• trepiede,
• balon cu tub de evacuare a gazului,
• placa metalica.

Substanţă:

• apă.

Încălzim balonul cu apă pe o lampă cu alcool, astfel încât apa să fiarbă și aducem o placă rece la tubul de evacuare a gazului. Aburul se depune pe placă sub formă de picături.

Concluzie: apa gazoasa este transformata in lichid.

Acest proces se numește condensare.

(Scrieți în caiete)

Condensul este conversia vaporilor de apă în apă.

Unde întâlnim acest fenomen? Aflăm din poveste.

Student:Întâlnim condens de vapori de apă în Viata de zi cu zi. Într-o seară de vară sau dimineața devreme, când aerul este mai rece, cade roua. Este vorba de vapori de apă din aer care, atunci când se răcesc, se așează pe iarbă, frunze și alte obiecte sub formă de mici picături de apă. Norii se formează și ca urmare a condensului vaporilor de apă. Ridicându-se deasupra solului și a corpurilor de apă în straturile superioare, mai reci de aer, acești vapori formează nori formați din mici picături de apă. Dacă temperatura aerului este suficient de scăzută, picăturile de apă îngheață. Din astfel de nori cad zăpadă și uneori grindină.

Profesor: Multumesc pentru mesaj.

Acum să facem niște lucrări de laborator. Pe mese ai tot ce ai nevoie pentru munca: ustensile si substante chimice: apa, creta, sare.

Luați sare și dizolvați în apă. Ce observi? (Sarea s-a dizolvat). Am primit o soluție de sare.

Acest lucru poate fi scris schematic astfel:

solvent + dizolvat = soluție

apă + sare = soluție de sare

Acum să luăm cretă, să o dizolvăm în apă și să o comparăm cu o soluție de sare. Ce observăm? (Soluția de cretă este tulbure). Să filtrăm soluția rezultată. Ce vedem? (Filtratul este limpede, dar sedimentul rămâne pe filtru.) Lichidul inițial se numește suspensie.

Concluzie:

• dacă particulele unei substanțe nu sunt vizibile în apă și trec prin filtru împreună cu apă, atunci o astfel de substanță se numește solubilă, iar starea se numește soluție.
• dacă o substanță plutește în apă și rămâne pe filtru, atunci această substanță nu este solubilă, ci este în suspensie.

Apa este un solvent atât de unic încât are cel mai respectuos respect.

Astăzi ne-am familiarizat cu proprietățile apei. Acum știți că apa se dilată când este încălzită, se contractă când este răcită și se extinde când este înghețată. De asemenea, știți ce sunt evaporarea și condensarea și care este semnificația lor, ce soluție și suspensie sunt. Acum să verificăm cum ați învățat noul material.

Munca independentă folosind carduri

(Adăugați cuvintele necesare în loc de puncte)

1. Apa când este încălzită …………………………………………………………..
2. Apa rece…………………………………………………………
3. Apa înghețată……………………………………………………….
4. Apa fierbe la o temperatură de ………………………………………………
5. Transformarea apei lichide în apă gazoasă este …………………………..
6. Transformarea aburului în apă este ……………………………………………………….
7. Ce este o soluție? ……………………………………………………………
8. Cum să distingem o soluție de o suspensie? ………………………………………………………………..

Predăm lucrarea.

Aceasta încheie lecția noastră. Mulțumiri tuturor. La revedere.

Una dintre cele mai comune substanțe de pe Pământ: apa. El, ca și aerul, este necesar pentru noi, dar uneori nu îl observăm deloc. Ea doar este. Dar se dovedește

Una dintre cele mai comune substanțe de pe Pământ: apa. El, ca și aerul, este necesar pentru noi, dar uneori nu îl observăm deloc. Ea doar este. Dar se dovedește că apa obișnuită își poate schimba volumul și cântărește fie mai mult, fie mai puțin. Când apa se evaporă, se încălzește și se răcește, se întâmplă lucruri cu adevărat uimitoare, despre care vom afla astăzi.
Muriel Mandell, în cartea sa distractivă „Experimente fizice pentru copii”, prezintă gânduri interesante despre proprietățile apei, pe baza cărora nu numai tinerii fizicieni pot învăța o mulțime de lucruri noi, ci și adulții își vor reîmprospăta cunoștințele, care au nu a trebuit să fie folosit mult timp, așa că s-a dovedit a fi ușor uitat.Astăzi vom vorbi despre volumul și greutatea apei. Se pare că același volum de apă nu cântărește întotdeauna la fel. Și dacă turnați apă într-un pahar și nu se revarsă peste margine, asta nu înseamnă că se va potrivi în el sub nicio formă.

1. Când apa este încălzită, se extinde în volum

2. Când apa se răcește, se contractă

Lăsați apa din borcan să se răcească la temperatura camerei sau turnați apă nouă, și puneți-l la frigider. După un timp, vei descoperi că borcanul anterior plin nu mai este plin. Când este răcită la 3,89 grade Celsius, apa scade în volum pe măsură ce scade temperatura. Motivul pentru aceasta a fost o scădere a vitezei de mișcare a moleculelor și apropierea lor între ele sub influența răcirii.S-ar părea că totul este foarte simplu: cu cât apa este mai rece, cu atât ocupă mai puțin volum, dar...

3. ...volumul de apă crește din nou când îngheață

4. Gheața este mai ușoară decât apa

5. Apa de la robinet conține minerale

La întrebarea De ce apa se extinde în volum când este răcită, când alte substanțe se contractă când este răcită? dat de autor Pavel Anufriev cel mai bun răspuns este Pe măsură ce apa se răcește, inițial se comportă ca mulți alți compuși: treptat devine mai densă și își reduce volumul specific. Dar la 4 oC (mai precis, la 3,98 °C) apare o stare de criză - restructurare structurală, iar odată cu o scădere suplimentară a temperaturii, volumul de apă nu mai scade, ci crește. Când este răcit conditii normale Sub 0 °C, apa se cristalizează, formând gheață, a cărei densitate este mai mică, iar volumul este cu aproape 10% mai mare decât volumul apei inițiale.
Creșterea volumului se explică prin faptul că fiecare moleculă din structura gheții este conectată prin legături de hidrogen cu alte patru molecule. Ca urmare, în faza de gheață, se formează o structură ajurata cu „cavități” între moleculele de apă fixe, ceea ce determină o expansiune semnificativă a întregii mase înghețate. Structură cristalină gheața seamănă cu structura diamantului: fiecare moleculă de H2O este înconjurată de cele patru molecule cele mai apropiate de ea, participând la formarea unei legături de hidrogen și situată la distanțe egale față de aceasta, egală cu 2,76 angstromi și situată la vârfurile unui tetraedru regulat la unghiuri egale cu 109°28" (vezi Fig. .). Datorită scăzut număr de coordonare Structura gheții este plasă, ceea ce îi afectează densitatea scăzută. Structura ajurata a ghetii duce la faptul ca densitatea acesteia, egala cu 916,7 kg/m³ la 0 °C, este mai mica decat densitatea apei (999,8 kg/m³) la aceeasi temperatura.
Prin urmare, apa, transformându-se în gheață, își crește volumul cu aproximativ 9%:

În timpul procesului de topire, la 0 °C, aproximativ 10-15% din apă își pierde legăturile cu compușii, ca urmare, mobilitatea unor molecule crește și se cufundă în acele cavități care sunt bogate în structura ajurata a gheaţă. Astfel se explică comprimarea gheții în timpul topirii și densitatea mai mare a apei rezultate, care crește cu aproximativ 10%. Putem presupune că această valoare caracterizează într-un anumit fel numărul de molecule de apă prinse în cavități. Densitatea apei rezultate atinge un maxim la o temperatură de 4 °C, iar odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, expansiunea naturală a apei asociată cu creșterea mișcării moleculare depășește efectul rearanjamentului structural „gheață-apă”, iar densitatea apei începe să scadă treptat.

Răspuns de la 2 raspunsuri[guru]

Buna ziua! Iată o selecție de subiecte cu răspunsuri la întrebarea dvs.: De ce apa se extinde în volum când este răcită, când alte substanțe se contractă când este răcită?

Răspuns de la Placer[incepator]
Apa nu se dilată atunci când este răcită. Abia după ce apa se întărește și devine gheață, abia atunci volumul acesteia va crește datorită creșterii distanței dintre moleculele de apă.

Răspuns de la Mike Tiaroff[guru]
se contracta si apa... întrebarea este pusă incorect. . apa se contractă la -4 grade, apoi se extinde... aceasta se numește tranziție de fază și în timpul unor astfel de tranziții substanțele se comportă în moduri complet de neimaginat... când este încălzit la 100 de grade, are loc dilatare, dar temperatura nu crește peste, ci are loc o tranziție la abur - de asemenea, o tranziție de fază... legăturile dintre molecule capătă proprietăți diferite - cristalizarea începe în apă...

Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a prezentat o teorie care explică de ce apa se contractă în loc să se dilate atunci când este încălzită de la 0 la 4°C. Conform modelului său, apa conține microformații - „vitrite”, care sunt poliedre goale convexe, ale căror vârfuri conțin molecule de apă, iar marginile sunt legături de hidrogen. Pe măsură ce temperatura crește, două fenomene concurează între ele: alungirea legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă și deformarea vitritelor, ducând la scăderea cavităților acestora. În intervalul de temperatură de la 0 la 3,98°C, acest din urmă fenomen domină efectul de alungire a legăturilor de hidrogen, care în cele din urmă dă compresia observată a apei. Nu există încă o confirmare experimentală a modelului lui Matsumoto - totuși, ca și alte teorii care explică comprimarea apei.

Spre deosebire de marea majoritate a substanțelor, apa își poate reduce volumul atunci când este încălzită (Fig. 1), adică are un coeficient negativ de dilatare termică. Cu toate acestea, nu vorbim despre întregul interval de temperatură în care apa există în stare lichidă, ci doar despre o secțiune îngustă - de la 0°C până la aproximativ 4°C. La temperaturi ridicate, apa, ca și alte substanțe, se extinde.

Apropo, apa nu este singura substanță care are proprietatea de a se contracta atunci când temperatura crește (sau de a se dilata la răcire). Bismutul, galiul, siliciul și antimoniul se pot lăuda și cu un comportament similar. Cu toate acestea, datorită structurii sale interne mai complexe, precum și a prevalenței și importanței sale în diferite procese, apa este cea care atrage atenția oamenilor de știință (vezi Studiul structurii apei continuă, „Elemente”, 10/09/2006). ).

Cu ceva timp în urmă, teoria general acceptată care răspundea la întrebarea de ce apa își crește volumul pe măsură ce temperatura scade (Fig. 1) a fost modelul unui amestec de două componente - „normal” și „asemănător cu gheața”. Această teorie a fost propusă pentru prima dată în secolul al XIX-lea de către Harold Whiting și a fost ulterior dezvoltată și îmbunătățită de mulți oameni de știință. Relativ recent, în cadrul polimorfismului descoperit al apei, teoria lui Wieting a fost regândită. Acum se crede că există două tipuri de nanodomenii asemănătoare gheții în apa suprarăcită: regiuni amorfe asemănătoare gheții de înaltă densitate și de joasă densitate. Încălzirea apei suprarăcite duce la topirea acestor nanostructuri și la apariția a două tipuri de apă: cu densitate mai mare și mai mică. Concurența vicleană de temperatură dintre cele două „grade” ale apei rezultate dă naștere unei dependențe nemonotone a densității de temperatură. Cu toate acestea, această teorie nu a fost încă confirmată experimental.

Trebuie să fii atent cu această explicație. Nu întâmplător vorbim aici doar despre structuri care seamănă cu gheața amorfa. Faptul este că regiunile nanoscopice ale gheții amorfe și analogii săi macroscopici au parametri fizici diferiți.

Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a decis să găsească o explicație pentru efectul discutat aici „de la zero”, renunțând la teoria unui amestec cu două componente. Folosind simulări pe computer, el a examinat proprietățile fizice ale apei pe un interval larg de temperatură - de la 200 la 360 K la presiune zero - pentru a înțelege la scară moleculară adevăratele motive ale expansiunii apei atunci când se răcește. Articolul său din revista Physical Review Letters se numește: De ce apa se extinde când se răcește? („De ce se extinde apa când se răcește?”).

Inițial, autorul articolului a pus întrebarea: ce afectează coeficientul de dilatare termică a apei? Matsumoto consideră că pentru aceasta este suficient să aflăm influența doar a trei factori: 1) modificări ale lungimii legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă, 2) indice topologic - numărul de legături pe moleculă de apă și 3) abaterea unghiul dintre legături din valoarea de echilibru (distorsiune unghiulară).

Orez. 2. Este „cel mai convenabil” ca moleculele de apă să se unească în grupuri cu un unghi între legăturile de hidrogen egal cu 109,47 grade. Acest unghi se numește tetraedru deoarece este unghiul care leagă centrul unui tetraedru regulat și cele două vârfuri ale sale. Poza de pe lsbu.ac.uk

Înainte de a vorbi despre rezultatele obținute de fizicianul japonez, vom face comentarii și precizări importante cu privire la cei trei factori de mai sus. În primul rând, familiar formula chimica apa H 2 O corespunde numai stării sale de vapori. În formă lichidă, moleculele de apă sunt combinate prin legături de hidrogen în grupuri (H 2 O) x, unde x este numărul de molecule. Combinația cea mai favorabilă energetic este a cinci molecule de apă (x = 5) cu patru legături de hidrogen, în care legăturile formează un echilibru, așa-numitul unghi tetraedric, egal cu 109,47 grade (vezi Fig. 2).

După ce a analizat dependența lungimii legăturii de hidrogen dintre moleculele de apă de temperatură, Matsumoto a ajuns la concluzia așteptată: o creștere a temperaturii dă naștere la o alungire liniară a legăturilor de hidrogen. Și aceasta, la rândul său, duce la o creștere a volumului de apă, adică la extinderea acesteia. Acest fapt contrazice rezultatele observate, așa că a examinat în continuare influența celui de-al doilea factor. Cum depinde coeficientul de dilatare termică de indicele topologic?

Modelarea computerizată a dat următorul rezultat. La temperaturi scăzute Cel mai mare volum de apă în termeni procentuali este ocupat de clustere de apă, care au 4 legături de hidrogen pe moleculă (indicele topologic este 4). O creștere a temperaturii determină o scădere a numărului de asociați cu indicele 4, dar în același timp numărul de clustere cu indici 3 și 5 începe să crească După efectuarea calculelor numerice, Matsumoto a descoperit că volumul local de clustere cu topologic indicele 4 practic nu se modifică odată cu creșterea temperaturii, iar modificarea volumului total al asociaților cu indicii 3 și 5 la orice temperatură se compensează reciproc. În consecință, o modificare a temperaturii nu modifică volumul total de apă și, prin urmare, indicele topologic nu are niciun efect asupra compresiei apei atunci când este încălzită.

Rămâne de clarificat efectul distorsiunii unghiulare a legăturilor de hidrogen. Și aici începe cel mai interesant și important. După cum sa menționat mai sus, moleculele de apă tind să se unească astfel încât unghiul dintre legăturile de hidrogen să fie tetraedric. Cu toate acestea, vibrațiile termice ale moleculelor de apă și interacțiunile cu alte molecule care nu sunt incluse în cluster le împiedică să facă acest lucru, deviând unghiul legăturii de hidrogen de la valoarea de echilibru de 109,47 grade. Pentru a caracteriza cumva cantitativ acest proces de deformare unghiulară, Matsumoto și colegii, pe baza lucrării lor anterioare Topological building blocks of hydrogen bond networks in water, publicată în 2007 în Journal of Chemical Physics, au emis ipoteza existenței microstructurilor tridimensionale în apă care seamănă cu poliedre goale convexe. Mai târziu, în publicațiile ulterioare, au numit astfel de microstructuri vitrite (Fig. 3). În ele, vârfurile sunt molecule de apă, rolul marginilor este jucat de legăturile de hidrogen, iar unghiul dintre legăturile de hidrogen este unghiul dintre marginile din vitrit.

Conform teoriei lui Matsumoto, există o mare varietate de forme de vitrită, care, la fel ca elementele mozaic, alcătuiesc cea mai mare parte a structurii apei și care, în același timp, umplu uniform întregul volum al acesteia.

Orez. 3. Se formează șase vitrite tipice structura interna apă. Bilele corespund moleculelor de apă, segmentele dintre bile indică legături de hidrogen. Vitritele satisfac celebra teoremă Euler pentru poliedre: numărul total de vârfuri și fețe minus numărul de muchii este egal cu 2. Aceasta înseamnă că vitritele sunt poliedre convexe. Alte tipuri de vitrite pot fi vizualizate la vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Orez. dintr-un articol de Masakazu Matsumoto, Akinori Baba și Iwao Ohminea Network Motif of Water, publicat în AIP Conf. Proc.

Moleculele de apă tind să creeze unghiuri tetraedrice în vitrite, deoarece vitritele trebuie să aibă cea mai mică energie posibilă. Cu toate acestea, din cauza mișcărilor termice și a interacțiunilor locale cu alte vitrite, unele microstructuri nu prezintă geometrii cu unghiuri tetraedrice (sau unghiuri apropiate de această valoare). Acceptă astfel de configurații structural neechilibrate (care nu sunt cele mai favorabile pentru ei din punct de vedere energetic), care permit întregii „familii” de vitrite în ansamblu să obțină cea mai mică valoare energetică dintre cele posibile. Asemenea vitrite, adică vitritele care par să se sacrifice „intereselor energetice comune”, se numesc frustrate. Dacă în vitrita nefrustrată volumul cavității este maxim la o anumită temperatură, atunci vitrita frustrată, dimpotrivă, au volumul minim posibil.

Modelarea computerizată efectuată de Matsumoto a arătat că volumul mediu al cavităților vitrite scade liniar odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, vitrita frustrată își reduce semnificativ volumul, în timp ce volumul cavității vitritei nefrustrate rămâne aproape neschimbat.

Deci, comprimarea apei cu creșterea temperaturii este cauzată de două efecte concurente - alungirea legăturilor de hidrogen, ceea ce duce la creșterea volumului de apă și o scădere a volumului cavităților vitritelor frustrate. În intervalul de temperatură de la 0 la 4°C, predomină acest din urmă fenomen, după cum au arătat calculele, ceea ce duce în cele din urmă la comprimarea observată a apei odată cu creșterea temperaturii.

Tot ce trebuie să faci este să aștepți confirmare experimentală existenţa vitritelor şi comportamentul acestora. Dar aceasta, din păcate, este o sarcină foarte dificilă.