Объясните по рисунку почему вода замерзает на поверхности водоемов кратко
Обновлено: 01.06.2024
Вследствии воздействия отрицательных температур на поверхность водоёма ;Вода из жидкого состояния переходит в твердое состояние лёд (Процесс кристализации). Вода замерзает.
В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, — ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.
Подобное движение происходит и в водоеме. . Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?
Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах — выше или ниже 4 градусов — вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.
В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия — это отклонение от нормы) . Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.
Что же произойдёт дальше при остывании? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним попрежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.
Этому удивительному свойству воды, возможно, обязаны и мы с вами. В определённом интервале температур -- вода расширяется при замерзании. Не будь этого -- всё на нашей планете было бы совсем иначе.
При нагревании размеры большинства вещественных тел увеличиваются, при охлаждении уменьшаются. Несложно представить как атомы или молекулы вещества при нагревании (веществу сообщили дополнительную энергию) начинают активнее двигаться (выше температура -> сильнее движение). В твёрдых телах атомы начинают с бо́льшей амплитудой колебаться близ своего среднего положения в кристаллической решётке и им требуется больше свободного пространства. В случае воды -- молекулы при росте температуры активнее толкают друг друга, пока с поверхности капли не будут выбиваться отдельные молекулы, что демонстрирует испарение.
По той же логике всё работает в обратную сторону. Понижая температуру -- энергии движения частиц становится меньше, и вещества занимают меньший объём. Так работает почти со всеми веществами (и это важно учитывать, например, при проектировании мостов, поскольку в различные сезоны конструкции будут себя вести по разному из-за теплового расширения. Даже в конструкции телескопов за ночь возникают деформации ввиду переменности температуры). Но есть в некоторых интервалах температур некоторые исключения. Такие как вода, гарт (типографский сплав), и совсем экзотика вроде гексацианокобальтата серебра Ag₃Co(CN)₆ или ZrW₂0₈ и др.
Рассмотрим пример воды.
Поверните картинку с льдом на 120° -- ничего не изменится в положении молекул воды в льдинке. Лёд имеет симметрию, вследствие которой снежинки все шестигранны. Картинка также демонстрирует и идею, отчего лёд, растаяв, занимает меньший объём ("пустоты" в кристалле заполняются неупорядоченными молекулами с бо́льшей энергией).
Именно благодаря этому редкому эффекту моря́ и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы (исключением являются совсем мелкие озёра в совсем сильный мороз). Менее плотная вода (холоднее +4° C) всплывает к поверхности, вытесняя ко дну более тёплую воду. Лёд меньше по плотности, чем вода, и, образовываясь на поверхности, он "запечатывает" воду внизу, позволяя водяным жителям перезимовать в жидкой среде.
Если бы лёд оказался плотнее воды -- он бы тонул, занимал бо́льший объём, разрастался со дна, а вода беспрепятственно промерзала. Живым организмам не оставалось бы места. А при длительных холодах -- вся вода на планете замёрзла бы, покрыв всё льдом. Тогда, отражая всё больше солнечного света, поверхность планеты остудилась бы ещё сильнее.
Скорее всего, не расширяйся вода при замерзании -- наша планета покрылась бы безжизненной снежной коркой. Или же, напротив, весь лёд потонул бы, поверхность планеты отражала бы меньше солнечного света (поглощала бы тепло) и нагревалась больше, чем сейчас. Так что -- было бы либо гораздо холоднее, либо гораздо теплее, что сильно отличило бы привычные нам условия, к которым сейчас адаптирована жизнь.
2015-03-27
Теплая вода, охлаждаясь становиться более плотной и, следовательно, опускается на дно. То есть лед должно образовываться на дне озера в первую очередь. Но этот процесс происходит только до отметки 4 градуса по Цельсию, далее вода начинает опять расширяться и становится менее плотной. Таким образом, в точке близкой к замораживанию, холодная вода всплывает на поверхность, а теплая вода опускается на дно. В конце концов, вода в верхней части озера в зимних условиях, замерзнет и превращается в слой льда. Кроме того, когда вода замерзает и превращается в лед, лед становится значительно менее плотным, чем вода и продолжает плавать на поверхности озера.
Лед имеет меньшую плотность, чем вода, из-за того, что он имеет гексагональную кристаллическую структуру. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. При формировании льда, атомы водорода одной молекулы образуют слабые водородные связи с атомами кислорода двух других молекул воды. Выстраиваемые молекулы воды в этой модели занимают больше места, чем хаотически перемешанные молекулы в жидкой воде. Следовательно, лед является менее плотным. По той же причине вода, ниже 4 градусов по Цельсию становится все менее плотной.
Так что теперь мы понимаем, почему лед плавает на поверхности воды, но, как это работает на водоемах? Представьте себе, что это начало зимы, и температура только недавно стала ниже точки замерзания. Воздух меняет температуру быстрее, чем вода - вот почему вода в водоеме, кажется, гораздо теплее, в вечернее время. Воздух охлаждается ночью, но вода в водоеме остается почти такой же горячий. Таким образом, хотя воздух холодный, вода не замерзает. Вода в верхней части водоеме находится в непосредственном контакте с холодным воздухом и все время охлаждается. Образующейся на поверхности лед также действует в качестве барьера, или изолятора, между холодным воздухом и теплой воды под ним.
Последний факт позволяет воде в озерах и прудах не замерзать до самого дна, что позволяет растениям и рыбам пережить зиму в условиях севера.
Силы и частицы
Вода – это вещество, которое может наблюдаться в трех агрегатных состояниях. Она может замерзать и быть твердым льдом, она бывает в жидкой форме, и также она присутствует в виде пара – не только в бане, но и в небе, в виде облаков. Однако в рамках данной статьи остановимся на первом ее состоянии, твердом.
Вода замерзает, образуя кристаллики твердого льда. Лед может формировать многокилометровые поверхности, покрывая реки, озера и другие водоемы. При этом он оказывается легче жидкой воды и всегда находится сверху. Замерзает вода из-за понижения температур.
Температуры и агрегатное состояние веществ
Молекула воды в различных агрегатных состояниях
Чем выше температуры, тем дальше отстоят между собой молекулы любых веществ. Их отдаление друг от друга приводит к размягчению вещества, которое сначала становится жидким, а потом и вовсе газообразным. Этот процесс можно рассмотреть на примере железа, которое плавится в тигле и обретает жидкую форму. При сильном повышении температур оно может стать и газообразным, то есть, испариться, но для этого температура должна быть по-настоящему высокой.
Вода же при обычной комнатной температуре является жидкостью. При повышении температур она станет паром, а при понижении – льдом. Ведь понижение температуры имеет обратное влияние на молекулы – они сближаются. А при их сближении вещество становится тверже, плотнее. Такого же эффекта можно добиться при механическом прессовании любого вещества- оно станет тверже, опять же из-за сближения молекул.
Что происходит при понижении температур?
Когда на воду оказывается влияние пониженных температур, молекулы сближаются, образуя шестигранные формы. Разумеется, это снежинки, которые являются кристаллами воды. Остывание воды и ее кристаллизация – это фактически синонимы, описывающие один и тот же процесс. Вода начинает кристаллизоваться при температуре в 0 градусов – именно этот момент и взят за нулевую отметку по шкале Цельсия. Если рассматривать американскую шкалу Фаренгейта, то здесь застывание воды будет происходить при 32 градусах.
Но для создания кристаллов воды нужна основа, какие-либо примеси или взвеси, благодаря которым стартует этот процесс. И если вода абсолютно чистая, здесь наблюдается несколько другое явление – порой она застывает только при -40 градусах, а при нуле и других не слишком низких отметках остается жидкой. Однако не замерзает она только в спокойном состоянии. Если ее взболтать при минусовых отметках, она немедленно превратится в лед.
С водой связано множество парадоксов. И кроме уже описанного выше нюанса, необходимо отметить, что лед занимает больше объема, чем жидкая вода, то есть, при замерзании это вещество расширяется, в то время как другие наоборот занимают меньше объема при низких температурах. Именно с расширением воды при формировании льда и связано лопание бочек, труб и других объектов, оставленных на зиму заполненными водой.
На момент замерзания молекулы немного отдаляются друг от друга, что и дает такой эффект. И именно этот фактор, наряду с вмерзшими пузыриками воздуха, делает лед плавучим. Если бы он тонул или формировался со дна, ни одно живое существо в водоемах не смогло бы перезимовать. Но формируясь именно на поверхности, и оставаясь там, лед наоборот сохраняет тепло воды и выполняет защитную функцию в зимнее время, давая животным, растениям и рыбам возможность перезимовать и выжить.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: