Замразяване и топене на вода и лед Някои от неговите последици. Член от февруари 2006 г., възстановен през февруари 2012 г. Франсиско Мартин Леон и Мигел Мартин дел Рио. Сътрудник. Дейвид Паскуал Миелго, Паску

пети

Франсиско Мартин Леон

Замразяване и топене на вода и лед
Някои от неговите последици
Статия от февруари 2006 г., получена през февруари 2012 г.

Франсиско Мартин Леон
Мигел Мартин дел Рио

Сътрудник. Дейвид Паскуал Миелго, Паску

Целете се. Анализирайте вариацията на точката на замръзване и топене на вода и лед
Трудност. Ела долу
Материали. Кубчета лед от хладилника, фина кожа или връв, чаша вода, студена вода, кухненска кърпа и сол
Продължителност. 5 минути.
Опасност. Нула Ако сте непълнолетен, направете го с възрастен.

Този експеримент е разделен на две части.

I. Вземете две кубчета лед и кухненска кърпа. Съединете току-що извадените от хладилника кубчета лед и ги поставете в контакт помежду си на плоската им повърхност. Натиснете ръце върху тях, предпазвайки се с кухненската кърпа за около минута.

Какво се случи с кубчетата лед, когато приключихте експеримента? Защо?

II. Изпийте чаша студена вода от чешмата и тънка струна или канап. Потопете средното парче конец във водата и го извадете. Поставете кубче лед върху водата в чашата: ледът ще плува. Поставете мократа струна на леда, така че краищата на струната да излизат от стъклото. Част от връвта или въжето трябва да почиват върху леда. Изсипете фина сол върху частта от струната, която лежи върху леда. Нека мине минута или повече. След това време вземете краищата на конеца и го повдигнете.

Какво се е случило и защо?

I част от експеримента

Температурата на замръзване е функция на налягането при еднокомпонентни фазови промени

Термодинамиката на промяната на състоянието от лед към вода ни казва, че точката на топене намалява, когато налягането се увеличи. При нормални условия ледът се топи и замръзва при 0ºC, но това не се случва, когато натискът върху него се повиши. Намаляването на точката на замръзване или топене с натиска върху леда е много важно при определени земни събития и студени планети с воден лед.

Когато натискаме двата кубчета лед при постоянна температура, те се топят, докато увеличаваме налягането с ръце върху контактната повърхност. По това време между контактните повърхности се образува малка водна капачка, която не замръзва, когато точката на замръзване падне.

Освобождавайки кубчетата лед от натиска, упражняван от нашите ръце, ние се връщаме към нормални и първоначални условия: налягането намалява, водният слой отново замръзва, но този път при температура от 0ºC, както беше първоначално. Когато натиснете леда, той се разтапя и когато спрете да натискате водата, той отново замръзва, съединявайки двете кубчета лед поради малкото количество разтопена вода, което се генерира.

Малко теория. Уравнението на Клапейрон

Точката на замръзване намалява с налягане в равновесна система вода-лед. Този факт засяга много човешки дейности и системи, понякога остава незабелязан пред очите ни:

Влияние на налягането и температурата

Уравнението на Клапейрон позволява да се изчисли наклонът на равновесната линия между две фази в еднокомпонентна система. Това уравнение е една от основите на термодинамиката и управлява фазовите преходи на веществото:

В който стр е налягането, т е температурата, при която настъпва преходът, ∆H е промяната в топлинното съдържание и ∆V е промяната на обема, настъпила по време на прехода или фазовата промяна.

Това уравнение свързва вариациите в налягането и температурата на втвърдяване при топене с топлините, участващи във фазовата промяна. Стойността и знакът на втория член ни казват как промените в температурата на фазовата промяна варират, когато модифицираме налягането в споменатата трансформация.

Ако се съсредоточим върху промени във фазата течност-твърда фаза, уравнението ще приеме формата:

Битие вл Y. срещу специфичните обеми на течната и твърдата фаза, съответно, и Н латентната топлина, използвана за извършване на споменатата фазова промяна. По принцип специфичният обем на течностите е по-голям от този на твърдите вещества, тъй като те се разширяват, когато се стопят. Вторият елемент обикновено е положителен и наклонът (dp/dT) на P-T кривата във фазовата промяна обикновено е положителен, което се изразява в:

Повишаването на налягането в стопилката или преминаването от твърдо в течно състояние трябва да съответства на повишаване на температурата на топене. Колкото по-високо е налягането, на което е подложено твърдото вещество, като цяло повишаването на температурата ще му съответства, така че твърдото вещество да стане течно. Повишаването на налягането ще има тенденция да държи твърдите частици по-близо една до друга и преминаването към течност ще стане чрез повишаване на температурата повече.

Случаят с ледена вода

За пореден път водата попада извън тези норми, тъй като специфичният обем на леда е по-голям от този на водата и вторият член става отрицателен. По този начин dp/dT е отрицателен: когато увеличим налягането върху леда, температурата на топене намалява.

Тези факти могат да се видят много добре в диаграмите за промяна на фазите на различните вещества, тъй като всяко от тях има свои собствени. Ако изградим диаграма налягане-температура, където дадено вещество съществува едновременно в различни фази, ще имаме набор от криви спрямо състоянието на равновесие твърдо-течно (червено), течно-газово (зелено) и газо-твърдо (синьо). В термодинамиката графичното представяне на границите между различните състояния на материята, обикновено като функция от налягането и температурата, се нарича фазова диаграма или диаграма за промяна на състоянието.

Това на CO2 е това, което представяме по-долу. Трябва да забележим, че наклоните на цветните криви (dp/dT) са положителни, както при повечето вещества. Ако се съсредоточим върху промените на твърдо-течната фаза (червена линия), имаме, че наклонът на кривата е положителен: увеличаването на налягането в твърдия СО2 ще доведе до повишаване на температурата на топене, необходима, за да стане течна.

За водата фазовата диаграма е следната:

При нормални условия, при налягане от 1 атмосфера, температурата на топене е 0 ° C. Имайте предвид, че кривата лед-вода има отрицателен наклон (dp/dT). Следователно повишаването на налягането в леда е придружено от намаляване на температурата на топене, т.е., ледът се топи чрез компресия, за разлика от повечето вещества, които се втвърдяват при компресиране. При високо налягане ледът се топи под 0 ° C.

Накратко, когато натискате леда с ръце, ние увеличаваме налягането, температурата на топене намалява, което води до топене в зоната на контакт на двете повърхности, генерирайки тънък слой вода. Когато спрем да притискаме водата между тези повърхности, тя отново замръзва, присъединявайки се към използваните кубчета лед.

II част от експеримента

Всяко вещество, разтворено в разтворител, има тенденция да понижава точката на замръзване на разтворителя. В случай на сол тя има тенденция да понижава точката на замръзване на водата, където тя се разтваря, теоретично, до -16 ºC, в зависимост от концентрацията на сол, разтворена във вода. Например, при 5% концентрация на сол температурата на замръзване спада до -3ºC, ако процентът е 10% сол, температурата на замръзване на водата ще достигне -6ºC, а не 0ºC; колкото повече сол сме разтворили, толкова по-ниска е точката на замръзване на разтвора. В реалния живот обикновената сол може да понижи температурата на замръзване на водата до -9 ºC -10 ºC. Поради тази причина солта се хвърля на земята в моментите преди и по време на снеговалежи и избягва образуването на пластове лед и сняг.

Следователно, когато сложим сол върху въжето, което лежи върху леда, точката на замръзване пада и ледът се топи. Когато се образува вода, тя разрежда солта малко по малко и елиминира ефекта от понижаване на точката на замръзване, така че нишката или въжето да замръзнат, когато точката на замръзване отново се увеличи и да достигне стойността на нормалните условия. Въжето, замръзналата вода и кубчето лед са свързани заедно. Сега можем да го извадим от чашата с вода, без повече от разтягане на краищата.

И сега отиваме със снимките на тези експерименти, които могат да се направят в "кухнята".

Сътрудничество на Дейвид Паскуал Миелго, Паску

Е, имах малко сега и започнах да го правя. Това е чурото, което имам.

Част 1

След това виждаме две кубчета лед и кърпа до него, за да се стегнат, макар и добре, това е разходно

Двете кубчета една върху друга.

От друга гледна точка

След това натиснах леда и добре, това, което очаквах, се случи, те се залепиха един за друг. И момче те се придържаха. Тогава ми костваше да ги разделя.

Защо? Е, вече не мога да го обясня.

Част 2

Имаме чашата с вода и конец до нея.

Тенджерата със сол. и нещо по-добро зад лодката.

След това вече виждаме леда във водата, централната част на конеца, легнала в леда и солта отгоре.

Оставяме да бъде минута и. повдигаме конеца за краищата.

Както виждаме, нишката е прикрепена към леда. Причината? Аз също не знам. Съжалявам

Забележка. Благодаря ви "Pasku" за вашите снимки и коментари.

Препратки

Еднокомпонентни фазови преходи. Уравнение на Клапейрон.