При якій температурі замерзає вода

• Стану і види води
• Температура замерзання води
• Температура замерзання дистильованої води
• Температура замерзання солоної води
• Експрес-відповіді

При якій температурі замерзає вода? Здавалося б - найпростіше запитання, відповісти на який може навіть дитина: температура замерзання води при нормальному атмосферному тиску в 760 мм ртутного стовпа становить нуль градусів за Цельсієм.

Однак вода (не дивлячись на надзвичайно широку поширеність її на нашій планеті) є найбільш загадковою і не до кінця вивченою субстанцією, тому відповідь на це питання вимагає ґрунтовного і аргументованого розмови.

• У Росії і в Європі температуру вимірюють за шкалою Цельсія, найвище значення якої має позначку в 100 градусів.
• Американський вчений Фаренгейт розробив свою шкалу, яка налічує 180 поділок.
• Існує ще одна одиниця виміру температури - кельвін, названа на честь англійського фізика Томсона, який отримав звання лорда Кельвіна.

Стану і види води

Вода на планеті Земля може приймати три основних агрегатних стану: рідке, тверде й газоподібне, які здатні трансформуватися в різні форми, одночасно співіснують один з одним (айсберги в морській воді, водяна пара і кристали льоду в хмарах на небі, льодовики і вільно поточні річки ).

Залежно від особливостей походження, призначення та складу вода може бути:

• прісної;
• мінеральної;
• морський;
• питної (сюди ж віднесемо водопровідну воду);
• дощовий;
• талої;
• солоноватой;
• структурованої;
• дистильованої;
• деионизированной.

Наявність ізотопів водню робить воду:

1. легкої;
2. важкої (дейтерієвої);
3. надважкої (тритиевой).

Всі ми знаємо про те, що вода буває м`якою і жорсткою: цей показник визначається вмістом катіонів магнію і кальцію.

Кожен з перелічених нами видів і агрегатних станів води має свою температуру замерзання і плавлення.

Температура замерзання води

Чому вода замерзає? Звичайна вода завжди містить деяку кількість зважених часток мінерального або органічного походження. Це можуть бути дрібні частки глини, піску або домашнього пилу.

Коли температура навколишнього середовища опускається до певних значень, ці частинки беруть на себе роль центрів, навколо яких починають утворюватися кристали льоду.

Ядрами кристалізації можуть стати також повітряні бульбашки, а також тріщини і пошкодження на стінках посудини, в якому знаходиться вода. Швидкість процесу кристалізації води багато в чому визначається кількістю цих центрів: чим їх більше, тим швидше замерзає рідина.

Чому гаряча вода замерзає швидше холодної?

Гаряча вода замерзає швидше холодної - на цей феномен звернув увагу Ераста Мпемби - школяр з Танганьїки. Його експерименти з масою для приготування морозива показали, що швидкість замерзання підігрітою маси значно вище, ніж холодної.

Однією з причин цього цікавого явища, що отримало назву «парадокс Мпемби», є більш висока тепловіддача гарячої рідини, а також наявність в ній більшої кількості ядер кристалізації у порівнянні з холодною водою.

Взаємопов`язані чи температура замерзання води і висота?

При зміні тиску, часто пов`язаного з перебуванням на різній висоті, температура замерзання води починає радикально відрізнятися від стандартної, характерною для звичайних умов. Кристалізація води на висоті відбувається при наступних температурних значеннях:

• як ні парадоксально, на висоті 1000 м вода замерзає при 2 градусах тепла за шкалою Цельсія;
• на висоті 2000 метрів це відбувається вже при 4 градусах тепла.

Найвища температура замерзання води в горах спостерігається на висоті понад 5000 тисяч метрів (наприклад, в Фанські горах або на Памірі).

Як тиск впливає на процес кристалізації води?

Давайте спробуємо пов`язати динаміку зміни температури замерзання води зі зміною тиску.

• При тиску 2 атм вода замерзне при температурі -2 градуси.
• При тиску 3 атм початком замерзання води стане температура -4 градуси за Цельсієм.

Саме тому в умовах високогір`я і розрідженій атмосфери вельми важко зварити навіть яйця, оскільки вода в казанку закипає вже при 80 градусах. Зрозуміло, що при такій температурі приготувати їжу просто неможливо.

При високому тиску процес плавлення льоду під лезами ковзанів відбувається навіть при дуже низьких температурах, але саме завдяки йому ковзани ковзають по крижаній поверхні.

Аналогічним чином пояснюється примерзанню полозів сильно навантажених НАРТ в оповіданнях Джека Лондона. Важкі нарти, які надають тиск на сніг, викликають його плавлення. Утворюється при цьому вода полегшує їх ковзання. Але варто нартам зупинитися і затриматися тривалий час на одному місці, як витіснена вода, замерзнувши, приморозить полози до дороги.

Температура кристалізації водних розчинів

Будучи відмінним розчинником, вода легко вступає в реакції з різними органічними і неорганічними речовинами, утворюючи масу часом несподіваних хімічних сполук. Зрозуміло, кожне з них буде замерзати при різних температурах. Відобразимо це в наочному списку.

• Температура замерзання суміші спирту і води залежить від процентного співвідношення в ній обох компонентів. Чим більше води додано в розчин, тим ближче до нуля температура його замерзання. Якщо ж в розчині більше спирту, процес кристалізації почнеться при значеннях, близьких до -114 градусів. 
  Важливо знати, що фіксованої температури замерзання водно-спиртові розчини не мають. Зазвичай кажуть про температуру початку процесу кристалізації і температурі остаточного переходу в твердий стан.
  Між початком утворення перших кристалів і повним завмиранням спиртового розчину лежить температурний інтервал величиною в 7 градусів. Так, температура замерзання води зі спиртом 40% концентрації на початковому етапі становить -22,5 градуса, а остаточний перехід розчину в тверду фазу відбудеться при -29,5 градусах.

Для вимірювання солоності води використовують особливу одиницю - «проміле». Отже, ми встановили, що температура замерзання води зі збільшенням концентрації солей знижується. Пояснимо це на прикладі:

Рівень солоності океанської води дорівнює 35 проміле, при цьому середня величина її замерзання становить 1,9 градуса. Ступінь солоності чорноморських вод налічує 18-20 проміле, тому замерзають вони при більш високій температурі з діапазоном від -0,9 до -1,1 градуса Цельсія.

• Температура замерзання води з цукром (для розчину, моляльность якого становить 0,8) дорівнює -1,6 градуса.
• Температура замерзання води з домішками багато в чому залежить від їх кількості та характеру домішок, що входять до складу водного розчину.
• Температура замерзання води з гліцерином залежить від концентрації розчину. Розчин, що містить 80 мл гліцерину, замерзне при -20 градусах, при зниженні вмісту гліцерину до 60 мл процес кристалізації почнеться при -34 градусах, а початок замерзання 20% розчину - мінус п`ять градусів. Як можна помітити, лінійна залежність в даному випадку відсутній. Для замерзання 10% розчину гліцерину буде досить температури -2 градуси.
• Температура замерзання води з содою (мається на увазі їдкий луг або каустична сода) представляє ще більш загадкову картину: 44% розчин каустику замерзає при +7 градусах Цельсія, а 80% - при + 130.

Замерзання прісних водойм

Процес утворення льоду на прісноводних водоймах відбувається в дещо іншому температурному режимі.

• Температура замерзання води в озері, точно так же, як і температура замерзання води в річці, дорівнює нулю градусів за шкалою Цельсія. Замерзання найчистіших річок і струмків починається не з поверхні, а з дна, на якому присутні ядра кристалізації у вигляді частинок донного мулу. Кіркою льоду спочатку покриваються корчі і водні рослини. Варто лише донного льоду піднятися на поверхню, як річка миттєво промерзає наскрізь.
• Замерзла вода на Байкалі іноді може охолоджуватися до негативних температур. Відбувається це лише на мелководье- температура води при цьому може становити тисячні, а іноді і соті частки одного градуса нижче нуля.
• Температура байкальської води під самою кіркою крижаного покриву, як правило, не перевищує +0,2 градуса. У нижчих шарах вона поступово підвищується до +3,2 на дні найглибшої улоговини.

Температура замерзання дистильованої води

Замерзає чи дистильована вода? Нагадаємо про те, що для замерзання води необхідно присутність в ній деяких центрів кристалізації, якими можуть стати бульбашки повітря, зважені частинки, а також пошкодження стінок ємності, в якій вона знаходиться.

Вода, піддана впливу дуже низьких температур, але при цьому не кристалізуватися, називається «переохолоджених». Можна, помістивши пляшку з дистильованою водою в морозильну камеру, домогтися її переохолодження, а потім продемонструвати дуже ефектний трюк - дивіться у відео:

Тихенько постукавши по пляшці, витягнутої з холодильника, або кинувши в неї невеликий шматочок льоду, можна показати, як миттєво вона перетворюється на лід, який має вигляд подовжених кристалів.

Дистильована вода: замерзає чи ні під тиском ця очищена субстанція? Такий процес можливий лише в спеціально створених лабораторних умовах.

Температура замерзання солоної води

1. Замерзає чи солона вода? Завдяки високій концентрації солей океанська та морська вода замерзає при температурі -1,9 градуса за Цельсієм.
2. Температура замерзання води в морях і океанах не має постійного значення, оскільки солоність води в різних морях Світового океану абсолютно різна.
3. Як температура замерзання океанічної води залежить від її солоності? Між цими величинами існує сама прямий зв`язок. Чим більше солоною є вода, тим більше високою щільністю вона володіє, а для замерзання такої води потрібно досить низька температура.
4. Середня температура води в морях і океанах -4 градуси.

Температура замерзання окремих морів

При скількох градусах замерзає вода:

• Каспійського моря? Солоність каспійських вод становить близько 13 проміле. Їх замерзання відбувається при -0,5 градуса Цельсія. Товщина крижаного покриву північній частині Каспію становить близько двох метрів.
• Азовського моря? Його солона вода замерзає при температурі від -0,5 до -0,7 градусів за шкалою Цельсія. Солоність становить близько 11 проміле. Товщина криги, що покривають море в період з грудня по березень, дорівнює одному метру.
• Японського моря? Чому солона вода цього моря не замерзає? Це пояснюється високим (близько 34 проміле) рівнем її солоності і географічним положенням моря.
• Балтійського моря? При солоності, що нараховує всього 6-8 проміле, температура замерзання морської води в Балтиці близька до нуля.

Експрес-відповіді

При скількох градусах замерзає вода:

1. У трубах опалення? У разі відключення опалення або поломки опалювального котла в приватному будинку або на дачі замерзання води в них може статися приблизно через пару днів при температурі -5 градусів. Відстрочити настання такого результату допоможе теплоізоляція труб і інших елементів будівлі. Всередині житлового приміщення замерзання води в трубах настає вже при -1 градус. Якщо така температура протримається 2-3 дні, це може закінчитися розривом труб і опалювальних батарей.
2. Під землею? Підземні води можуть бути рідкими, твердими і пароподібними. Твердою фазою води в грунті є лід, який може бути як багаторічним (в умовах вічної мерзлоти), так і сезонним. Замерзання ґрунтових вод відбувається при температурі нижче нуля, оскільки всі вони представляють собою не чисту воду, а всілякі її розчини. Величина температури замерзання багато в чому залежить від мінералізації грунтових вод.
3. На льоту? У жителів Якутії є нехитрий спосіб визначення температури повітря: вона нижче -42 градусів, якщо випущений людиною плювок встигає замерзнути, не долетівши до землі.
4. У вакуумі? Вміст пробірки, поставленої під дзвін вакуумного насоса при температурі 0 градусів, спочатку закипає, а після випаровування восьмий частини рідини відбувається утворення крижаної кірки на її поверхні.
5. У двигуні автомобіля? Максимальна температура замерзання води в двигуні може досягти -5 градусів: при більш низьких значеннях кристали льоду просто розірвуть внутрішній устрій блоку двигуна. Точно такий же є температура замерзання води в радіаторі. Подібні проблеми в машині можуть виникнути за умови недостатнього утеплення вищеперелічених агрегатів, а також внаслідок занадто тривалої стоянки.
6. На катку? Залежно від того, які змагання передбачається проводити на льодовій арені, температура поверхні льоду може становити від -3 до -5 градусів. Лід з більш високою (від -3 до -4) температурою поверхні підходить для фігурного катання, оскільки саме його м`якість дозволяє забезпечити необхідну силу зчеплення з ковзанами. Більш жорсткий лід, відповідний для командної гри в хокей, виходить при температурі -5 градусів. На «холодному» льоду зростає швидкість гравців і зменшується можливість утворення сніжної «каші» на його поверхні. Якість льоду в першу чергу залежить від хімічного складу води, тому для його заливки використовують не звичайну рідину з-під крана, а або очищену, або оброблену спеціальними кондиціонерами воду.