При какой температуре замерзает вода в трубах под давлением


замерзает ли и при какой t°, в зависимости от чего (таблица соотношений)?

Замерзает ли?

При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,1 мПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.

Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.

В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.

Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.

Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.

Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.

Но при этом нет такого давления, при котором бы вода совсем не замерзала. Другое дело, что в лабораторных условиях можно создать такую ситуацию, при которой вода будет замерзать только при -20…-40°С.

Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.

Температура в зависимости от показателя

Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

Как они взаимосвязаны?

При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

Температура, °СДавление, мПа
00,1
-11
-230
-340
-450
-560
-10110
-22210

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.

Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси – пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.

Каково давление замерзающей жидкости?

Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.

Как влияет тип воды?

Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

В ней отсутствуют ядра кристаллизации, и поэтому она замерзает только при очень низких температурах – эксперименты показали, что при -42°С.

Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

В лабораторных условиях проводились эксперименты, при которых давление увеличивали до очень высоких значений, так что дистиллят замерзал только при -70°С.

Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.

Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

Применение знаний в быту человека

В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Сведения об этих показателях и их соотношениях также нужны тем, кто занимается прокладкой отопительных систем. Важны они и для автомобилистов, которым приходится часто сталкиваться с замерзанием жидкости в радиаторе.

Заключение

Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.

При какой температуре замерзает вода? | Наука

Название этого поста могло бы показаться подходящим вопросом для экзамена по естествознанию в начальной школе, но ответ намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. Нас всех учили, что вода замерзает при 32 градусах по Фаренгейту, 0 градусам Цельсия, 273,15 Кельвина. Однако это не всегда так. Ученые обнаружили, что жидкая вода в облаках имеет температуру -40 градусов по Фаренгейту, а в лаборатории даже охлаждала воду до -42 градусов по Фаренгейту.Как низко они могли опуститься?

На этот вопрос сложно ответить. Когда жидкая вода охлаждается ниже -42 градусов по Фаренгейту, она слишком быстро кристаллизуется в лед, и ученые не могут измерить температуру жидкости. Поэтому Эмили Мур и Валерия Молинеро из Университета Юты разработали сложное компьютерное моделирование 32 768 молекул воды (меньше молекул, чем можно найти в капле дождя), которое позволило им увидеть, что происходит с теплоемкостью, плотностью и сжимаемостью воды при ее переохлаждении и переохлаждении. определить, что произошло, когда 4 000 из этих молекул замерзли.Их результаты опубликованы в журнале Nature .

Когда температура воды приближается к -55 градусов по Фаренгейту, молекулы воды образуют тетраэдры, каждая из которых слабо связана с четырьмя другими молекулами. Уменьшается плотность воды, увеличивается ее теплоемкость и увеличивается сжимаемость. «Изменение структуры воды контролирует скорость образования льда», - говорит Молинеро. «Мы показываем, что как термодинамика воды, так и скорость кристаллизации контролируются изменением структуры жидкой воды, которая приближается к структуре льда.«При температуре ниже -55 градусов по Фаренгейту крошечные кусочки жидкой воды все еще могут существовать, но они будут существовать только в течение невероятно короткого времени», - говорит Молинеро.

Такое переохлаждение воды возможно, потому что воде требуется небольшое ядро ​​или зародыш льда, чтобы молекулы образовывали кристаллы, и в очень чистой воде «единственный способ сформировать ядро ​​- это спонтанно изменить структуру жидкости», - говорит Молинеро. . Эти ядра не сформируются и не станут достаточно большими, пока структура молекул жидкой воды не приблизится к структуре твердого льда, чего не произойдет, пока вода не станет настолько невероятно холодной.

( HT: io9 )

Понравилась статья?
ПОДПИШИТЕСЬ на нашу рассылку новостей

.

Предотвращение и оттаивание замерзших труб

Предотвращение и размораживание замерзших труб | Американский Красный Крест