Объясните особенности теплового расширения воды кратко

Обновлено: 05.07.2024

Как и другие тела, вода расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако по этому свойству она сильно отличается от всех других тел и веществ.

При охлаждении вода сжимается, но при приближении к температуре +4°С ее сжатие замедляется, а затем и останавливается. При температуре +4°С сжатие воды сменяется расширением, которое происходит до температуры ее замерзания. Превращаясь в лед, вода расширяется еще сильнее. Следовательно, вода при температуре +4°С имеет наибольшую плотность, а затем при дальнейшем охлаждении плотность ее уменьшается. Самая низкая плотность воды бывает при 0°С, то есть при превращении ее в лед. Вода при наибольшей плотности (4°С) самая тяжелая.

Особенность теплового расширения воды имеет большое значение в природе. Благодаря тому что вода при температуре +4°С наиболее тяжелая, с наступлением холодных дней, охлаждаясь до этой температуры, она опускается в глубину водоема, а более теплая вода поднимается вверх, где охлаждается и вновь опускается вниз. Перемешивание воды (конвекция) происходит до тех пор, пока температура всей воды в водоеме не понизится до +4°С.

Далее вода в поверхностном слое охлаждается до +3°С, +1°С, но при этой температуре она имеет меньшую плотность и не опускается вниз. Затем самый верхний слой воды, охлаждаясь, превращается в лед, плотность которого меньше плотности воды.
Водоем зимой

Если бы вода сжималась при охлаждении так же, как и другие тела, то самой тяжелой была бы вода при температуре около 0°С, а лед был бы тяжелее воды. Образуясь зимой на поверхности водоема, тяжелый лед опускался бы на дно и в первые же месяцы зимы все водоемы были бы полностью заполнены им. Жизнь в водоемах стала бы невозможной.

Подземные воды, не соприкасающиеся с морозным воздухом, не замерзают. Поэтому ключи и родники зимой сдерживают снижение температуры в наземных водоемах.

Таким образом, благодаря особенностям теплового расширения воды температура ее в верхних слоях водоемов не бывает ниже +1°С, а в глубоких слоях — ниже +4°С. Поэтому в течение длинной зимы в водоемах подо льдом многие их обитатели продолжают активную жизнь, а рыболовы любители имеют возможность заниматься зимней рыбалкой.

Вместе с тем жизнь обитателей водоемов связана не только с температурой воды. С появлением ледяного покрова вода отделяется от атмосферного воздуха и создаются условия, затрудняющие дыхание многих водных животных. Из за недостатка растворенного в воде кислорода зимой в прудах, озерах и даже в крупных реках иногда происходят катастрофические явления — заморы, сопровождающиеся массовой гибелью рыб. С целью их предотвращения с помощью специальных приборов во льду водоемов делают проруби.

Особенности теплового расширения воды учитывают при ее использовании в промышленности и в быту: водопроводные трубы и трубы водяного отопления прокладывают в земле на такой глубине, где вода в них не может превращаться в лед.

Особенностью является то, что плотность воды от 0 до 4 градусов увеличивается, а после 4 градусов - уменьшается с ростом температуры.
Обычно у всех сред плотность с ростом температуры закономерно уменьшается, объем увеличивается.

Особенность теплового расширения воды имеет важное значение для сохранения живых организмов в реках и водоемах зимой. Охлаждаемые воздухом верхние слои воды опускаются вниз, а теплые поднимаются вверх. Такое перемешивание происходит до тех пор, пока температура воды не достигнет 4 С. При дальнейшем охлаждении верхние слои уже не опускаются вниз и при 0 С сверху образуется лёд. Лёд плавает на поверхности воды и предохраняет водоем от полного промерзания.

Чем объясняется особенность теплового расширения воды?

Ответ:
а) Из-за особенности теплового расширения воды в водоемах зимой отсутствует конвекция: наиболее плотные слои, имеющие температуру около 4 С, располагаются внизу;
б) вода имеет плохую теплопроводность;
в) лёд и снег, покрывающие водоем, плохо проводят тепло;
г) поверхность льда отражает тепловые лучи, идущие от дна водоема.

§ 22. Тепловое расширение воды

Известно, что многие вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. А как ведет себя вода при таких условиях?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведем опыт.

Наполним колбу водой и закроем ее пробкой с двумя отверстиями. Вставим в них стеклянную трубочку и термометр (его надо опустить почти до дна колбы). В стеклянной трубочке вода должна находиться над пробкой. Чтобы опыт был более наглядным, воду можно немного подкрасить, бросив в нее маленький кристаллик марганцовки. Отметим уровень воды в колбе, надев на стеклянную трубочку тонкое резиновое кольцо. Колбу поместим в большой плоский сосуд и наполним его мелкими кусочками льда.

Рис. 53. При охлаждении воды до +4 °C ее объем уменьшается

Первоначальная температура воды была +18 С. Через несколько минут уровень воды изменился: он стал ниже, чем был. И температура воды в колбе понизилась. Лед, который находится вокруг колбы, охладил ее. Значит, при охлаждении вода сжимается, ее объем уменьшается.

Продолжим наблюдения. При достижении температуры +4 °C вода, вместо того чтобы продолжать сжиматься, как это было при других температурах, начинает расширяться. Если продолжать охлаждать воду, она будет расширяться до тех пор, пока ее температура не станет 0 °C.

Вода – единственное вещество на Земле, которое при охлаждении сначала сжимается, а затем при температуре +4 °C начинает расширяться.

Особенности теплового расширения воды имеют огромное значение для всего живого, в частности, для обитателей водоемов в тех местностях, где бывают суровые зимы (с минусовыми температурами). Разберем, что происходит с водой в водоемах, когда начинается зима. Холодный воздух, соприкасаясь с верхними слоями воды, охлаждает ее. Охлажденная вода, становясь тяжелее, опускается вниз, ко дну. Опускаясь, она охлаждает более теплые слои. Такое перемещение воды происходит до тех пор, пока температура воды во всем водоеме не достигнет +4 °C. При этой температуре она начинает расширяться. Ставшая менее плотной, вода медленно движется вверх. Так продолжается, пока температура воды не достигнет 0 °C. При этой температуре верхние ее слои начинают замерзать и еще больше расширяться. На поверхности водоема появляется тонкий слой льда. Он не тонет, так как легче воды. И поэтому поверхность водоема замерзает в первую очередь. Сплошной лед защищает находящуюся ниже него воду от холодного воздуха, препятствует промерзанию до дна рек, озер, прудов и других глубоких водоемов.

На дне глубоких водоемов вода круглый год имеет температуру +4 °C (рис. 54). Если бы не было удивительной особенности воды – расширения при замерзании, то вся или почти вся жизнь зимой в воде прекратилась бы.

Рис. 54. Распределение температуры воды в замерзшем водоеме

Вода не уменьшает (как другие вещества), а увеличивает свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое.

При замерзании она расширяется на 1/9 своего объема, т. е. при замерзании 9 л жидкой воды получается 10 л твердой– льда! Когда зимой лопаются водопроводы, автомобильные радиаторы, бутылки с водой, это происходит оттого, что вода замерзает и увеличивается в объеме.

1. Как изменяется объем воды при замерзании?

2. Если температура воздуха надо льдом, покрывающим озеро, – 10 °C, то какую можно ожидать температуру в воде, соприкасающейся со льдом; на дне озера?

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

Особенности теплового расширения воды
Вода-жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толстых слоях голубоватая).

Температура плавления-
О гр.Цельсия.

Температура кипения 100гр.Цельсия.

Простые опыты и наблюдения убеждают нас, что при повышении температуры размеры тел немного увеличиваются, а при охлаждении — уменьшаются до прежних размеров. Так, например, сильно разогретый болт не входит в резьбу, в которую он свободно входит, будучи холодным. Когда болт охладится, он снова входит в резьбу. Телеграфные провода в жаркую летнюю погоду провисают заметно больше, чем
во время зимних морозов.
При нагревании электрическим током проволока удлиняется и провисает; по выключении тока она принимает прежнее положение.
Увеличение провисания, а следовательно, и длины натянутых проволок при нагревании легко воспроизвести на опыте. Нагревая натянутую проволоку электрическим током, мы видим, что она заметно провисает, а по прекращении нагревания снова натягивается.

При нагревании увеличиваются не только длина тела, но также и другие линейные размеры. Изменение линейных размеров тела при нагревании называют линейным расширением. Если однородное тело (например, стеклянная трубка) нагревается одинаково во всех частях, то оно, расширяясь, сохраняет свою форму. Иное происходит при неравномерном нагревании. Рассмотрим такой опыт. Стеклянная трубка расположена горизонтально, и один ее конец закреплен. Если трубку нагревать снизу, то верхняя ее часть остается вследствие плохой Теплопроводности стекла более холодной.

а) Пластинка, склепанная из медной и железной полосок, в холодном состоянии. б) Та же пластинка в нагретом состоянии (для наглядности изгиб показан преувеличенным)

Компенсатор на паропроводе дает возможность трубам А и В расширяться. Бывали случаи, когда части железных мостов, склепанные днем, охлаждаясь ночью, разрушались, срывая многочисленные заклепки. Во избежание подобных явлений, принимают меры к тому, чтобы части сооружений при изменении температуры расширялись или сжимались свободно. Например, железные паропроводы снабжают пружинящими изгибами в виде петель.

Увеличение линейных размеров сопровождается увеличением объема тел (объемное расширение тел). О линейном расширении жидкостей говорить нельзя, так как жидкость не имеет определенной формы. Объемное же расширение жидкостей нетрудно наблюдать. Наполним колбу подкрашенной водой или другой жидкостью и заткнем её пробкой со стеклянной трубкой так, чтобы жидкость вошла в трубку . Если к колбе поднести снизу сосуд с горячей водой, то в первый момент жидкость в трубке опустится, а затем начнет подниматься. Понижение уровня жидкости в первый момент указывает на то, что сперва расширяется сосуд, а жидкость еще не успела прогреться. Затем прогревается и жидкость.

а) Подкрашенная вода вошла из колбы в пробку. б) К колбе снизу подносится сосуд с горячей водой. В первый момент погружения колбы жидкость в трубке опускается. в) Уровень в трубке через некоторое время устанавливается выше, чем до нагревания колбы.

Примеры расширения воды в природе
Самое распространенное на поверхности Земли вещество — вода — имеет особенность, отличающую её от большинства других жидкостей. Она расширяется при нагревании только свыше 4 °С. От 0 до 4 °С объем воды, наоборот, при нагревании уменьшается. Таким образом, наибольшую плотность вода имеет при 4 °С. Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С. Увеличение давления тоже понижает температуру наибольшей плотности воды.

Особенности расширения воды имеют громадное значение для климата Земли. Большая часть (79%) поверхности Земли покрыта водой. Солнечные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаются от нее, частично проникают внутрь воды и нагревают её. Если температура воды низка, то нагревшиеся слои (например, при 2 °С) более плотны, чем холодные (например, при 1 °С), и потому опускаются вниз. Их место занимают холодные слои, в свою очередь нагревающиеся. Таким образом, происходит непрерывная смена слоев воды, что способствует равномерному прогреванию всей толщи воды, пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся все менее плотными, а потому и остаются вверху.

Вследствие этого большие толщи воды сравнительно легко прогреваются солнечными лучами лишь до температуры наибольшей плотности воды; дальнейшее прогревание нижних слоев идет крайне медленно. Наоборот, охлаждение воды до температуры наибольшей плотности идет сравнительно быстро, а. затем процесс охлаждения замедляется. Все это ведет к тому, что глубокие водоемы на поверхности Земли имеют, начиная с некоторой глубины,, температуру, близкую к температуре наибольшей плотности воды (4 °С). Верхние слои морей в теплых странах могут иметь температуру, значительно более высокую (30 °С и более).

Читайте также: