при нагревании вода что делает
# физика | Почему вода легче… воды?
Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.
Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.
1. При нагревании вода увеличивается в объеме
Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.
2. При охлаждении вода сжимается
Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.
Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…
3. …объем воды вновь возрастает при замерзании
Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.
Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?
4. Лед легче воды
Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.
Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.
5. Водопроводная вода содержит минералы
Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.
Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.
Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.
Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую сахарную радугу.
Почему при росте температуры от 0°C до 4°C вода сжимается
Практически все вещества при нагревании расширяются. Но не вода: в интервале от нуля до четырех градусов она сжимается. Выяснить, почему так происходит, ученые пытались еще в XIX веке, но удалось это сделать только в начале XXI века
Если вещество сжимается, а не расширяется при нагревании, это значит, что оно обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Таким свойством в определенном температурном интервале обладают, например, висмут, галлий, кремний и сурьма. Но это твердые материалы, и объяснить сжатие можно изменением внутренней структуры, в ходе которой кристаллическая решетка при увеличении энергии атомов упаковывается более плотно.
Но как объяснить появление такого сжатия у воды? Первая теория, которая хоть как-то объясняла это явление, основывалась на том, что при такой температуре вода состоит из «нормальной» и «льдоподобной» фаз. Впервые такая модель была предложена в XIX веке, но позже ее усовершенствовали и нашли экспериментальные подтверждения.
Исследователи пришли к выводу, что при температуре, близкой к нулю, в воде существует два типа нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Когда эти структуры плавятся при температуре от 0°C до 4°C, они образуют воду разной плотности, из-за чего и происходит сжатие.
Но на самом деле все оказалось не так просто. В 2009 году ученые выяснили настоящую причину такого поведения воды. Объем воды определяется расстоянием между молекулами H2O, которое регулируется длиной водородных связей. В жидком состоянии молекулы воды обычно объединяются в небольшие кластеры, обычно по пять штук.
Компьютерное моделирование показало, что с ростом температуры длина водородных связей действительно растет, увеличивая объем вещества. Но в диапазоне от 0°C до 4°C уменьшается размер кластеров — они состоят не из пяти, а из трех частиц. В результате размер отдельных элементов системы уменьшается, и они плотнее прилегают друг к другу.
Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается
Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.
В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке — от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.
Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).
Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.
С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.
Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).
Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).
Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H2O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H2O)x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).
Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?
Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.
Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.
Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.
Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.
Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.
Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.
Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.
Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).
Что происходит с водой при нагревании
Содержание статьи
Удивительные свойства воды
Воде присущи поразительные свойства, которые сильно отличают ее от прочих жидкостей. Но это и хорошо, иначе, обладай вода «обычными» свойствами, планета Земля была бы абсолютно другой.
Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.
Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.
При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.
Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.
Влияние расширения воды на климат
Исключительные свойства воды при нагревании серьезным образом влияют на климат Земли, поскольку около 79% поверхности нашей планеты покрыто водой. За счет солнечных лучей происходит нагревание верхних слоев, которые затем опускаются ниже, а на их месте оказываются холодные слои. Те тоже, в свою очередь, постепенно нагреваются и опускаются ближе ко дну.
Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.
Нашел интересную статью про воду.
Как часто мы забываем, что чайник уже давно вскипел и уже успел остыть, а мы все не можем оторваться от любимого шоу или сериала? Мы снова включаем плиту и снова кипятим чайник. Знаете ли вы, что происходит, когда мы кипятим воду во второй раз?
Несмотря на то, что это очень важно знать, этому не обучают в школе. Когда вода закипает, ее состав меняется, что совершенно нормально: летучие компоненты превращаются в пар и улетучиваются. Таким образом, кипяченая вода безопасна для питья.
Но когда вода закипает повторно, всё меняется в худшую сторону:
Кипяченая вода полностью лишена вкуса. Если ее перекипятить несколько раз, она становится очень-очень невкусная. Некоторые могут возразить, что сырая вода тоже не имеет вкуса. Отнюдь. Проведите маленький эксперимент.
Через определенные промежутки времени попейте воды из-под крана, профильтрованной воды, кипяченной один раз и кипяченной много раз. Все эти жидкости будут иметь разный вкус. Когда вы выпьете последний вариант (кипяченную много раз), то во рту даже останется неприятное послевкусие, какой-то металлический привкус.
Кипячение «убивает» воду. Чем чаще происходит тепловая обработка, тем бесполезнее жидкость в конечном счете. Испаряется кислород, собственно нарушается привычная формула Н2О с точки зрения химии. По этой причине возникло название подобного напитка — «мёртвая вода».
Токсичность такого напитка ничтожно мала. Но в «тяжёлой» воде все реакции происходят медленнее. Дейтерий (вещество, которое выделяется из водорода во время кипячения) имеет свойство накапливаться. А это уже вредно.
Кипятим мы, как правило, хлорированную воду. В процессе нагревания до 100 °C хлор вступает в реакцию с органическими веществами. В результате образуются канцерогены. Частое кипячение увеличивает их концентрацию. А эти вещества крайне нежелательны для человека, так как они провоцируют раковые заболевания.
Кипяченая вода уже мало полезна. Повторная обработка делает ее вредной. Поэтому соблюдайте следующие простые правила:
— для кипячения каждый раз наливайте свежую воду;
— не кипятите жидкость повторно и не доливайте в ее остатки свежую;
— перед тем как воду прокипятить, дайте ей постоять несколько часов;
— налив кипяток в термос (для приготовления лекарственного сбора, например), закрывайте его пробкой через несколько минут, не сразу
Что за херню я только что прочитал..
Да чувак, какого-то особенного чайка ты видать хлебнул.
А если у меня стоит система фильтрации обратным осмосом?
upd: епт, а об испаренном кислороде я не прочел 😀 рыдаю..
Химия, ты кто такая? Давай досвидания!
Что такой алеша как ты делает у меня в ленте? Да соглашусь, что вода становится менее вкусной, менее полезной вплане минералов, но основные тезисы тут неправильные
летучие компоненты превращаются в пар и улетучиваются. Таким образом, кипяченая вода безопасна для питья.
В процессе нагревания до 100 °C хлор вступает в реакцию с органическими веществами
не боитесь кушать супчики?
Когда кипятишь воду, многие минералы в воде выпадают в осадок
напьются пуэра с али и прочих магических чаев(см.профиль) и мозги все у них выкипают
Дейтерий (вещество, которое выделяется из водорода во время кипячения). Эта фраза сделала мой день!
Очень спорно, в электро чайнике благодаря терморегулятору вода кипит несколько секунд и сказать что что-то выкипает не есть правда, он фактический доводит воду до кипения, а не кипятит. Сколько нужно воде кипеть что-бы летучие компоненты улетучились и из какого объема воды, у меня например стоит современная система очистки воды, которая не только чистит но и смягчает воду, а если взять обратный осмос тов вообще чистоган.
Задачка по арифметике
Муж спрашивает жену-блондинку:
— Если 4 яйца варятся 4 минуты, то сколько будут вариться 8 яиц?
— Это по какой логике?
— По кастрюльной. В нашу кастрюльку для яиц больше 4 штук за раз не влезает.
Обзор на Грету
Когда сломала скрипт
Алиса, это как понимать
У младшей дочери сегодня день рождения, 7 лет. Подарили ей с утра мини колонку от Яндекса с Алисой. Всё утро она её донимала, то вопросами, то песни, то викторины. Днём собираемся в детское кафе. Доча с игривым настроением спрашивает: Алиса, угадай куда мы сейчас пойдем?! Алиса: Ха, в детский дом?!
Вот почему не нужно близко стоять у железнодорожного тоннеля. Берегите себя
Должно взлететь
Гости наши.
Копипаста с местного пабликах ВК.
Доколе.
Кучино. Жуковского 13
В ночь с 12 на 13 ноября 2021 года молодая семья возвращалась домой. Возле своего подъезда глава семьи увидел мужчину, справляющего нужду на дверь подъезда и сделал ему замечание.
В ответ на замечание, мужчина на ломаном русском нецензурно послал отца семейства и завязался конфликт, в ходе которого, на выручку к писающему дяде прибежал ещё пятеро его земляков. Жену, с грудным ребёнком в люльке, мужчина поспешил отправить домой, когда она зашла в свой подъезд, держа в руках переноску с грудным младенцем, в спину её толкала нерусская женщина со словами «иди, с*ка, вызывай ментов, нам ничего не будет!»
Полицию вызывали и всех участников конфликта отвезли в отделение. У парня, защищающго свою семью, пробита голова. В отделе полиции он написал заявление на 5 гостей нашего города, они, в свою очередь, написали заявление на него. Прибывший участковый, на предложение парня подняться в квартиру и взять показания супруги, ответил, что они ему «на*ер не нужны». После того, как парня и его обидчиков отпустили из отдела полиции, он приехал домой, возле подъезда его уже поджидала группы поддержка гостей города, с бутылками и ножом.
Жонглер
Спасибо алгоритмам Ютуба за это видео
А доктор что говорит?
