Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a prezentat o teorie care explică de ce apa se contractă în loc să se dilate atunci când este încălzită de la 0 la 4°C. Conform modelului său, apa conține microformații - „vitrite”, care sunt poliedre goale convexe, ale căror vârfuri conțin molecule de apă, iar marginile sunt legături de hidrogen. Pe măsură ce temperatura crește, două fenomene concurează între ele: alungirea legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă și deformarea vitritelor, ducând la scăderea cavităților acestora. În intervalul de temperatură de la 0 la 3,98°C, acest din urmă fenomen domină efectul de alungire a legăturilor de hidrogen, care în cele din urmă dă compresia observată a apei. Nu există încă o confirmare experimentală a modelului lui Matsumoto - totuși, ca și alte teorii care explică comprimarea apei.
Spre deosebire de marea majoritate a substanțelor, apa își poate reduce volumul atunci când este încălzită (Fig. 1), adică are un coeficient negativ de dilatare termică. Cu toate acestea, nu vorbim despre întregul interval de temperatură în care apa există în stare lichidă, ci doar despre o secțiune îngustă - de la 0°C până la aproximativ 4°C. La temperaturi ridicate, apa, ca și alte substanțe, se extinde.
Apropo, apa nu este singura substanță care are proprietatea de a se contracta atunci când temperatura crește (sau de a se dilata la răcire). Bismutul, galiul, siliciul și antimoniul se pot lăuda și cu un comportament similar. Cu toate acestea, datorită structurii sale interne mai complexe, precum și a prevalenței și importanței sale în diferite procese, apa este cea care atrage atenția oamenilor de știință (vezi Studiul structurii apei continuă, „Elemente”, 10/09/2006 ).
Cu ceva timp în urmă, teoria general acceptată care răspundea la întrebarea de ce apa își crește volumul pe măsură ce temperatura scade (Fig. 1) a fost modelul unui amestec de două componente - „normal” și „asemănător cu gheața”. Această teorie a fost propusă pentru prima dată în secolul al XIX-lea de către Harold Whiting și a fost ulterior dezvoltată și îmbunătățită de mulți oameni de știință. Relativ recent, în cadrul polimorfismului descoperit al apei, teoria lui Wieting a fost regândită. Acum se crede că există două tipuri de nanodomenii asemănătoare gheții în apa suprarăcită: regiuni amorfe asemănătoare gheții de înaltă densitate și de joasă densitate. Încălzirea apei suprarăcite duce la topirea acestor nanostructuri și la apariția a două tipuri de apă: cu densitate mai mare și mai mică. Concurența vicleană de temperatură dintre cele două „grade” ale apei rezultate dă naștere unei dependențe nemonotone a densității de temperatură. Cu toate acestea, această teorie nu a fost încă confirmată experimental.
Trebuie să fii atent cu această explicație. Nu întâmplător vorbim aici doar despre structuri care seamănă cu gheața amorfa. Faptul este că regiunile nanoscopice ale gheții amorfe și analogii săi macroscopici au parametri fizici diferiți.
Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a decis să găsească o explicație pentru efectul discutat aici „de la zero”, renunțând la teoria unui amestec cu două componente. Folosind simulări pe computer, el a analizat proprietățile fizice ale apei într-un interval larg de temperatură - de la 200 la 360 K la presiune zero - pentru a înțelege la scară moleculară adevăratele motive pentru expansiunea apei atunci când se răcește. Articolul său din revista Physical Review Letters se numește: De ce apa se extinde când se răcește? („De ce se extinde apa când se răcește?”).
Inițial, autorul articolului a pus întrebarea: ce afectează coeficientul de dilatare termică a apei? Matsumoto consideră că pentru aceasta este suficient să aflăm influența doar a trei factori: 1) modificări ale lungimii legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă, 2) indice topologic - numărul de legături pe moleculă de apă și 3) abaterea unghiul dintre legături din valoarea de echilibru (distorsiune unghiulară).
Orez. 2. Este „cel mai convenabil” ca moleculele de apă să se unească în grupuri cu un unghi între legăturile de hidrogen egal cu 109,47 grade. Acest unghi se numește tetraedru deoarece este unghiul care leagă centrul unui tetraedru regulat și cele două vârfuri ale sale. Poza de pe lsbu.ac.uk
Înainte de a vorbi despre rezultatele obținute de fizicianul japonez, vom face comentarii și lămuriri importante cu privire la cei trei factori de mai sus. În primul rând, formula chimică obișnuită a apei, H 2 O, corespunde doar stării sale de vapori. În formă lichidă, moleculele de apă sunt combinate prin legături de hidrogen în grupuri (H 2 O) x, unde x este numărul de molecule. Combinația cea mai favorabilă energetic este a cinci molecule de apă (x = 5) cu patru legături de hidrogen, în care legăturile formează un echilibru, așa-numitul unghi tetraedric, egal cu 109,47 grade (vezi Fig. 2).
După ce a analizat dependența lungimii legăturii de hidrogen dintre moleculele de apă de temperatură, Matsumoto a ajuns la concluzia așteptată: o creștere a temperaturii dă naștere la o alungire liniară a legăturilor de hidrogen. Și aceasta, la rândul său, duce la o creștere a volumului de apă, adică la extinderea acesteia. Acest fapt contrazice rezultatele observate, așa că a examinat în continuare influența celui de-al doilea factor. Cum depinde coeficientul de dilatare termică de indicele topologic?
Modelarea computerizată a dat următorul rezultat. La temperaturi scăzute, cel mai mare volum de apă în termeni procentuali este ocupat de clustere de apă, care au 4 legături de hidrogen pe moleculă (indicele topologic este 4). O creștere a temperaturii determină o scădere a numărului de asociați cu indicele 4, dar în același timp începe să crească și numărul de clustere cu indici 3 și 5. După ce a efectuat calcule numerice, Matsumoto a descoperit că volumul local de clustere cu indici topologici indicele 4 practic nu se modifică odată cu creșterea temperaturii, iar modificarea volumului total al asociaților cu indicii 3 și 5 la orice temperatură se compensează reciproc. În consecință, o modificare a temperaturii nu modifică volumul total de apă și, prin urmare, indicele topologic nu are niciun efect asupra compresiei apei atunci când este încălzită.
Rămâne de clarificat efectul distorsiunii unghiulare a legăturilor de hidrogen. Și aici începe cel mai interesant și important. După cum sa menționat mai sus, moleculele de apă tind să se unească astfel încât unghiul dintre legăturile de hidrogen să fie tetraedric. Cu toate acestea, vibrațiile termice ale moleculelor de apă și interacțiunile cu alte molecule care nu sunt incluse în cluster le împiedică să facă acest lucru, deviând unghiul legăturii de hidrogen de la valoarea de echilibru de 109,47 grade. Pentru a caracteriza cumva cantitativ acest proces de deformare unghiulară, Matsumoto și colegii, pe baza lucrării lor anterioare Topological building blocks of hydrogen bond networks in water, publicată în 2007 în Journal of Chemical Physics, au emis ipoteza existenței microstructurilor tridimensionale în apă care seamănă cu poliedre goale convexe. Mai târziu, în publicațiile ulterioare, au numit astfel de microstructuri vitrite (Fig. 3). În ele, vârfurile sunt molecule de apă, rolul marginilor este jucat de legăturile de hidrogen, iar unghiul dintre legăturile de hidrogen este unghiul dintre marginile din vitrit.
Conform teoriei lui Matsumoto, există o mare varietate de forme de vitrită, care, la fel ca elementele de mozaic, alcătuiesc cea mai mare parte a structurii apei și care, în același timp, umplu uniform întregul volum al acesteia.
Orez. 3. Șase vitrite tipice care formează structura internă a apei. Bilele corespund moleculelor de apă, segmentele dintre bile indică legături de hidrogen. Vitritele satisfac celebra teoremă Euler pentru poliedre: numărul total de vârfuri și fețe minus numărul de muchii este egal cu 2. Aceasta înseamnă că vitritele sunt poliedre convexe. Alte tipuri de vitrite pot fi vizualizate la vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Orez. dintr-un articol de Masakazu Matsumoto, Akinori Baba și Iwao Ohminea Network Motif of Water, publicat în AIP Conf. Proc.
Moleculele de apă tind să creeze unghiuri tetraedrice în vitrite, deoarece vitritele trebuie să aibă cea mai mică energie posibilă. Cu toate acestea, din cauza mișcărilor termice și a interacțiunilor locale cu alte vitrite, unele microstructuri nu prezintă geometrii cu unghiuri tetraedrice (sau unghiuri apropiate de această valoare). Acceptă astfel de configurații structural neechilibrate (care nu sunt cele mai favorabile pentru ei din punct de vedere energetic), care permit întregii „familii” de vitrite în ansamblu să obțină cea mai mică valoare energetică dintre cele posibile. Asemenea vitrite, adică vitritele care par să se sacrifice „intereselor energetice comune”, se numesc frustrate. Dacă în vitrita nefrustrată volumul cavității este maxim la o anumită temperatură, atunci vitrita frustrată, dimpotrivă, au volumul minim posibil.
Modelarea computerizată efectuată de Matsumoto a arătat că volumul mediu al cavităților vitrite scade liniar odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, vitrita frustrată își reduce semnificativ volumul, în timp ce volumul cavității vitritei nefrustrate rămâne aproape neschimbat.
Deci, comprimarea apei odată cu creșterea temperaturii este cauzată de două efecte concurente - alungirea legăturilor de hidrogen, ceea ce duce la creșterea volumului de apă și o scădere a volumului cavităților vitritelor frustrate. În intervalul de temperatură de la 0 la 4°C, predomină acest din urmă fenomen, după cum au arătat calculele, ceea ce duce în cele din urmă la comprimarea observată a apei odată cu creșterea temperaturii.
Rămâne de așteptat confirmarea experimentală a existenței vitritelor și a comportamentului lor. Dar aceasta, din păcate, este o sarcină foarte dificilă.
Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a prezentat o teorie care explică de ce apa se contractă în loc să se dilate atunci când este încălzită de la 0 la 4°C. Conform modelului său, apa conține microformații - „vitrite”, care sunt poliedre goale convexe, ale căror vârfuri conțin molecule de apă, iar marginile sunt legături de hidrogen. Pe măsură ce temperatura crește, două fenomene concurează între ele: alungirea legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă și deformarea vitritelor, ducând la scăderea cavităților acestora. În intervalul de temperatură de la 0 la 3,98°C, acest din urmă fenomen domină efectul de alungire a legăturilor de hidrogen, care în cele din urmă dă compresia observată a apei. Nu există încă o confirmare experimentală a modelului lui Matsumoto, precum și a altor teorii care explică comprimarea apei.
Spre deosebire de marea majoritate a substanțelor, apa își poate reduce volumul atunci când este încălzită (Fig. 1), adică are un coeficient negativ de dilatare termică. Cu toate acestea, nu vorbim despre întregul interval de temperatură în care apa există în stare lichidă, ci doar despre o secțiune îngustă - de la 0°C până la aproximativ 4°C. Cu b O La temperaturi mai ridicate, apa, ca și alte substanțe, se dilată.
Apropo, apa nu este singura substanță care are proprietatea de a se contracta atunci când temperatura crește (sau de a se dilata la răcire). Bismutul, galiul, siliciul și antimoniul se pot lăuda și cu un comportament similar. Cu toate acestea, datorită structurii sale interne mai complexe, precum și a prevalenței și importanței sale în diferite procese, apa este cea care atrage atenția oamenilor de știință (vezi Studiul structurii apei continuă, „Elemente”, 10/09/2006 ).
Cu ceva timp în urmă, teoria general acceptată care răspundea la întrebarea de ce apa își crește volumul pe măsură ce temperatura scade (Fig. 1) a fost modelul unui amestec de două componente - „normal” și „asemănător cu gheața”. Această teorie a fost propusă pentru prima dată în secolul al XIX-lea de către Harold Whiting și a fost ulterior dezvoltată și îmbunătățită de mulți oameni de știință. Relativ recent, în cadrul polimorfismului descoperit al apei, teoria lui Wieting a fost regândită. Acum se crede că există două tipuri de nanodomenii asemănătoare gheții în apa suprarăcită: regiuni amorfe asemănătoare gheții de înaltă densitate și de joasă densitate. Încălzirea apei suprarăcite duce la topirea acestor nanostructuri și la apariția a două tipuri de apă: cu densitate mai mare și mai mică. Concurența vicleană de temperatură dintre cele două „grade” ale apei rezultate dă naștere unei dependențe nemonotone a densității de temperatură. Cu toate acestea, această teorie nu a fost încă confirmată experimental.
Trebuie să fii atent cu această explicație. Nu întâmplător vorbim aici doar despre structuri care seamănă cu gheața amorfa. Faptul este că regiunile nanoscopice ale gheții amorfe și analogii săi macroscopici au parametri fizici diferiți.
Fizicianul japonez Masakazu Matsumoto a decis să găsească o explicație pentru efectul discutat aici „de la zero”, renunțând la teoria unui amestec cu două componente. Folosind simulări pe computer, el a examinat proprietățile fizice ale apei pe un interval larg de temperatură - de la 200 la 360 K la presiune zero - pentru a înțelege la scară moleculară adevăratele motive ale expansiunii apei atunci când se răcește. Articolul lui în revistă Scrisori de revizuire fizică se numește: De ce se extinde apa când se răcește? („De ce se extinde apa când se răcește?”).
Inițial, autorul articolului a pus întrebarea: ce afectează coeficientul de dilatare termică a apei? Matsumoto consideră că pentru aceasta este suficient să aflăm influența doar a trei factori: 1) modificări ale lungimii legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă, 2) indice topologic - numărul de legături pe moleculă de apă și 3) abaterea unghiul dintre legături din valoarea de echilibru (distorsiune unghiulară).
Înainte de a vorbi despre rezultatele obținute de fizicianul japonez, vom face comentarii și lămuriri importante cu privire la cei trei factori de mai sus. În primul rând, formula chimică obișnuită a apei, H 2 O, corespunde doar stării sale de vapori. În formă lichidă, moleculele de apă sunt combinate în grupuri (H 2 O) prin legături de hidrogen. X, Unde X- numărul de molecule. Combinația cea mai favorabilă din punct de vedere energetic de cinci molecule de apă ( X= 5) cu patru legături de hidrogen, în care se formează legăturile echilibru, așa-zisul unghi tetraedric, egal cu 109,47 grade (vezi Fig. 2).
După ce a analizat dependența lungimii legăturii de hidrogen dintre moleculele de apă de temperatură, Matsumoto a ajuns la concluzia așteptată: o creștere a temperaturii dă naștere la o alungire liniară a legăturilor de hidrogen. Și aceasta, la rândul său, duce la o creștere a volumului de apă, adică la extinderea acesteia. Acest fapt contrazice rezultatele observate, așa că a examinat în continuare influența celui de-al doilea factor. Cum depinde coeficientul de dilatare termică de indicele topologic?
Modelarea computerizată a dat următorul rezultat. La temperaturi scăzute, cel mai mare volum de apă în termeni procentuali este ocupat de clustere de apă, care au 4 legături de hidrogen pe moleculă (indicele topologic este 4). O creștere a temperaturii determină o scădere a numărului de asociați cu indicele 4, dar în același timp începe să crească și numărul de clustere cu indici 3 și 5. După ce a efectuat calcule numerice, Matsumoto a descoperit că volumul local de clustere cu indici topologici indicele 4 practic nu se modifică odată cu creșterea temperaturii, iar modificarea volumului total al asociaților cu indicii 3 și 5 la orice temperatură se compensează reciproc. În consecință, o modificare a temperaturii nu modifică volumul total de apă și, prin urmare, indicele topologic nu are niciun efect asupra compresiei apei atunci când este încălzită.
Rămâne de clarificat efectul distorsiunii unghiulare a legăturilor de hidrogen. Și aici începe cel mai interesant și important. După cum sa menționat mai sus, moleculele de apă tind să se unească astfel încât unghiul dintre legăturile de hidrogen să fie tetraedric. Cu toate acestea, vibrațiile termice ale moleculelor de apă și interacțiunile cu alte molecule care nu sunt incluse în cluster le împiedică să facă acest lucru, deviând unghiul legăturii de hidrogen de la valoarea de echilibru de 109,47 grade. Pentru a caracteriza oarecum cantitativ acest proces de deformare unghiulară, Matsumoto și colegii, bazându-se pe lucrările lor anterioare Blocuri de construcție topologice ale rețelelor de legături de hidrogen în apă, publicată în 2007 în Jurnalul de fizică chimică, a emis ipoteza existenței microstructurilor tridimensionale în apă care seamănă cu poliedre goale convexe. Mai târziu, în publicațiile ulterioare, au numit astfel de microstructuri vitrine(Fig. 3). În ele, vârfurile sunt molecule de apă, rolul marginilor este jucat de legăturile de hidrogen, iar unghiul dintre legăturile de hidrogen este unghiul dintre marginile din vitrit.
Conform teoriei lui Matsumoto, există o mare varietate de forme de vitrită, care, la fel ca elementele de mozaic, alcătuiesc cea mai mare parte a structurii apei și care, în același timp, umplu uniform întregul volum al acesteia.
Moleculele de apă tind să creeze unghiuri tetraedrice în vitrite, deoarece vitritele trebuie să aibă cea mai mică energie posibilă. Cu toate acestea, din cauza mișcărilor termice și a interacțiunilor locale cu alte vitrite, unele microstructuri nu prezintă geometrii cu unghiuri tetraedrice (sau unghiuri apropiate de această valoare). Acceptă astfel de configurații structural neechilibrate (care nu sunt cele mai favorabile pentru ei din punct de vedere energetic), care permit întregii „familii” de vitrite în ansamblu să obțină cea mai mică valoare energetică dintre cele posibile. Asemenea vitrite, adică vitritele care par să se sacrifice „intereselor energetice comune”, se numesc frustrate. Dacă în vitrita nefrustrată volumul cavității este maxim la o anumită temperatură, atunci vitrita frustrată, dimpotrivă, au volumul minim posibil.
Modelarea computerizată efectuată de Matsumoto a arătat că volumul mediu al cavităților vitrite scade liniar odată cu creșterea temperaturii. În acest caz, vitrita frustrată își reduce semnificativ volumul, în timp ce volumul cavității vitritei nefrustrate rămâne aproape neschimbat.
Deci, comprimarea apei odată cu creșterea temperaturii este cauzată de două efecte concurente - alungirea legăturilor de hidrogen, ceea ce duce la creșterea volumului de apă și o scădere a volumului cavităților vitritelor frustrate. În intervalul de temperatură de la 0 la 4°C, ultimul fenomen, după cum au arătat calculele, prevalează, ceea ce duce în cele din urmă la comprimarea observată a apei odată cu creșterea temperaturii.
Rămâne de așteptat confirmarea experimentală a existenței vitritelor și a comportamentului lor. Dar aceasta, din păcate, este o sarcină foarte dificilă.
Suntem înconjurați de apă, de la sine, ca parte a altor substanțe și corpuri. Poate fi sub formă solidă, lichidă sau gazoasă, dar apa este mereu în jurul nostru. De ce crăpă asfaltul pe drumuri, de ce explodează un borcan de sticlă cu apă în frig, de ce geamurile se aburin în sezonul rece, de ce un avion lasă o urmă albă pe cer - vom căuta răspunsuri la toate acestea și alte „de ce” din această lecție. Vom afla cum se schimbă proprietățile apei atunci când este încălzită, răcită și înghețată, cum se formează peșterile subterane și figurile bizare în ele, cum funcționează un termometru.
Subiect: Natura neînsuflețită
Lecția: Proprietățile apei lichide
În forma sa pură, apa nu are gust, miros sau culoare, dar nu este aproape niciodată așa, deoarece dizolvă în mod activ majoritatea substanțelor în sine și se combină cu particulele lor. Apa poate pătrunde și în diverse corpuri (oamenii de știință au găsit apă chiar și în pietre).
Dacă umpleți un pahar cu apă de la robinet, acesta va părea curat. Dar, de fapt, este o soluție de multe substanțe, printre care se numără gaze (oxigen, argon, azot, dioxid de carbon), diverse impurități conținute în aer, săruri dizolvate din sol, fier din conductele de apă, mici particule de praf nedizolvate. , etc.
Dacă pipetați picături de apă de la robinet pe sticla curată și lăsați-o să se evapore, vor rămâne pete abia vizibile.
Apa râurilor și pâraielor și majoritatea lacurilor conține diverse impurități, de exemplu, săruri dizolvate. Dar sunt puține, pentru că această apă este proaspătă.
Apa curge pe pământ și sub pământ, umple pâraie, lacuri, râuri, mări și oceane, creând palate subterane.
Făcându-și drum prin substanțe ușor solubile, apa pătrunde adânc în subteran, luându-le cu ea și prin fante și crăpături din roci, formând peșteri subterane, picurând de pe acoperișurile lor, creând sculpturi bizare. Miliarde de picături de apă se evaporă de-a lungul sutelor de ani, iar substanțele dizolvate în apă (săruri, calcare) se așează pe arcadele peșterii, formând țurțuri de piatră numite stalactite.
Formațiuni similare de pe podeaua unei peșteri se numesc stalagmite.
Și când o stalactită și stalagmită cresc împreună pentru a forma o coloană de piatră, se numește stalagnat.
Observând plutirea gheții pe un râu, vedem apă în stare solidă (gheață și zăpadă), lichidă (curgând dedesubt) și gazoasă (particule mici de apă care se ridică în aer, care sunt numite și vapori de apă).
Apa poate fi în toate cele trei stări în același timp: există întotdeauna vapori de apă în aer și nori, care constau din picături de apă și cristale de gheață.
Vaporii de apă sunt invizibili, dar pot fi detectați cu ușurință dacă lăsați un pahar cu apă răcit în frigider timp de o oră într-o cameră caldă, picăturile de apă vor apărea imediat pe pereții paharului. La contactul cu pereții reci ai sticlei, vaporii de apă conținuti în aer sunt transformați în picături de apă și se depun pe suprafața sticlei.
Orez. 11. Condens pe pereții unui pahar rece ()
Din același motiv, interiorul geamului se aburiză în timpul sezonului rece. Aerul rece nu poate conține atât de mulți vapori de apă ca aerul cald, așa că o parte din el se condensează - se transformă în picături de apă.
Traseul alb din spatele unui avion care zboară pe cer este, de asemenea, rezultatul condensului apei.
Dacă aduci o oglindă la buze și expiri, pe suprafața ei vor rămâne mici picături de apă, ceea ce demonstrează că atunci când respiră o persoană inhalează vapori de apă cu aerul.
Când apa este încălzită, aceasta „se extinde”. Acest lucru poate fi dovedit printr-un experiment simplu: un tub de sticlă a fost coborât într-un balon cu apă și a fost măsurat nivelul apei din acesta; apoi balonul a fost coborât într-un vas cu apă caldă și, după încălzirea apei, a fost remăsurat nivelul din tub, care a crescut vizibil, deoarece apa crește în volum atunci când este încălzită.
Orez. 14. Un balon cu un tub, numărul 1 și o linie indică nivelul inițial al apei
Orez. 15. Un balon cu un tub, numărul 2 și o linie indică nivelul apei când este încălzită
Când apa se răcește, se „comprimă”. Acest lucru poate fi dovedit printr-un experiment similar: în acest caz, un balon cu un tub a fost coborât într-un vas cu gheață; după răcire, nivelul apei din tub a scăzut față de marca originală, deoarece apa a scăzut în volum.
Orez. 16. Un balon cu un tub, numărul 3 și o linie indică nivelul apei în timpul răcirii
Acest lucru se întâmplă deoarece particulele de apă, moleculele, se mișcă mai repede atunci când sunt încălzite, se ciocnesc unele de altele, sunt respinse de pereții vasului, distanța dintre molecule crește și, prin urmare, lichidul ocupă un volum mai mare. Când apa se răcește, mișcarea particulelor sale încetinește, distanța dintre molecule scade, iar lichidul necesită mai puțin volum.
Orez. 17. Molecule de apă la temperatură normală
Orez. 18. Moleculele de apă când sunt încălzite
Orez. 19. Molecule de apă în timpul răcirii
Nu numai apa, ci și alte lichide (alcool, mercur, benzină, kerosen) au astfel de proprietăți.
Cunoașterea acestei proprietăți a lichidelor a condus la inventarea unui termometru (termometru) care folosește alcool sau mercur.
Când apa îngheață, se extinde. Acest lucru poate fi dovedit dacă un recipient umplut până la refuz cu apă este acoperit lejer cu un capac și introdus în congelator; după un timp vom vedea că gheața formată va ridica capacul, trecând dincolo de recipient.
Această proprietate este luată în considerare la așezarea conductelor de apă, care trebuie izolate astfel încât la îngheț, gheața formată din apă să nu rupă conductele.
În natură, apa înghețată poate distruge munții: dacă apa se acumulează în crăpăturile stâncilor toamna, îngheață iarna, iar sub presiunea gheții, care ocupă un volum mai mare decât apa din care s-a format, rocile crăpă și se prăbușesc.
Înghețarea apei în crăpăturile drumurilor duce la distrugerea pavajului de asfalt.
Crestele lungi care seamănă cu falduri de pe trunchiurile copacilor sunt răni de la rupturi de lemn sub presiunea sevei care îngheață în el. Prin urmare, în iernile reci se aude trosnetul copacilor într-un parc sau pădure.
- Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Lumea din jurul nostru 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Lumea din jurul nostru 3. M.: Editura Fedorov.
- Pleshakov A.A. Lumea din jurul nostru 3. M.: Educație.
- Festivalul de Idei Pedagogice ().
- Știință și educație ().
- Clasa publică ().
- Faceți un scurt test (4 întrebări cu trei variante de răspuns) pe tema „Apa din jurul nostru”.
- Faceți un mic experiment: puneți un pahar cu apă foarte rece pe o masă într-o cameră caldă. Descrie ce se va întâmpla, explică de ce.
- *Desenați mișcarea moleculelor de apă în stare încălzită, normală și răcită. Dacă este necesar, scrieți legende pe desen.
În sistemele de încălzire a apei, apa este folosită pentru a transfera căldură de la generatorul său către consumator.
Cele mai importante proprietăți ale apei sunt:
capacitatea termică;
modificarea volumului în timpul încălzirii și răcirii;
caracteristicile de fierbere la schimbarea presiunii externe;
cavitație.
Să luăm în considerare aceste proprietăți fizice ale apei.
Căldura specifică
O proprietate importantă a oricărui lichid de răcire este capacitatea sa de căldură. Dacă îl exprimăm prin masa și diferența de temperatură a lichidului de răcire, obținem capacitatea termică specifică. Este notat cu litera cși are dimensiune kJ/(kg K)
Căldura specifică- aceasta este cantitatea de căldură care trebuie transferată la 1 kg dintr-o substanță (de exemplu, apă) pentru a o încălzi cu 1 °C. În schimb, o substanță eliberează aceeași cantitate de energie atunci când este răcită. Capacitatea termică specifică medie a apei între 0 °C și 100 °C este:
c = 4,19 kJ/(kg K) sau c = 1,16 Wh/(kg K)
Cantitatea de căldură absorbită sau eliberată Q, exprimat în J sau kJ, depinde de masă m, exprimat în kg, capacitate termică specifică cși diferența de temperatură, exprimată în K.
Creșterea și scăderea volumului
Toate materialele naturale se extind atunci când sunt încălzite și se contractă când sunt răcite. Singura excepție de la această regulă este apa. Această proprietate unică se numește anomalie de apă. Apa are cea mai mare densitate la +4 °C, la care 1 dm3 = 1 litru are o masă de 1 kg.
Dacă apa este încălzită sau răcită în raport cu acest punct, volumul ei crește, ceea ce înseamnă că densitatea ei scade, adică apa devine mai ușoară. Acest lucru poate fi văzut clar în exemplul unui rezervor cu un punct de preaplin. Rezervorul conține exact 1000 cm3 de apă la o temperatură de +4 °C. Pe măsură ce apa se încălzește, unele vor curge din rezervor în paharul de măsurare. Dacă încălziți apă la 90 °C, exact 35,95 cm3 se vor turna în recipientul de măsurare, ceea ce corespunde la 34,7 g. Apa se extinde și atunci când este răcită sub +4 °C.
Datorită acestei anomalii a apei din apropierea râurilor și lacurilor, acesta este stratul superior care îngheață iarna. Din același motiv, gheața plutește la suprafață și soarele de primăvară o poate topi. Acest lucru nu s-ar întâmpla dacă gheața ar fi mai grea decât apa și s-ar scufunda în fund.
Rezervor cu punct de preaplin
Cu toate acestea, această capacitate de extindere poate fi periculoasă. De exemplu, motoarele auto și pompele de apă pot să spargă dacă apa din ele îngheață. Pentru a evita acest lucru, în apă se adaugă aditivi pentru a preveni înghețarea acesteia. Glicolii sunt adesea folosiți în sistemele de încălzire; Consultați specificațiile producătorului pentru raportul apă/glicol.
Caracteristicile de fierbere ale apei
Dacă apa este încălzită într-un recipient deschis, va fierbe la o temperatură de 100 °C. Dacă măsurați temperatura apei clocotite, aceasta va rămâne la 100 °C până se evaporă ultima picătură. Astfel, consumul constant de căldură este utilizat pentru a evapora complet apa, adică pentru a-și schimba starea de agregare.
Această energie se mai numește și căldură latentă (latentă). Dacă furnizarea de căldură continuă, temperatura aburului rezultat va începe să crească din nou.
Procesul descris este dat la o presiune a aerului de 101,3 kPa la suprafața apei. La orice altă presiune a aerului, punctul de fierbere al apei se schimbă de la 100 °C.
Dacă ar fi să repetam experimentul descris mai sus la o altitudine de 3000 m - de exemplu, pe Zugspitze, cel mai înalt vârf din Germania - am constata că apa de acolo fierbe deja la 90 °C. Motivul acestui comportament este scăderea presiunii atmosferice cu altitudinea.
Cu cât presiunea la suprafața apei este mai mică, cu atât va fi mai scăzut punctul de fierbere. În schimb, punctul de fierbere va fi mai mare pe măsură ce crește presiunea la suprafața apei. Această proprietate este utilizată, de exemplu, în oala sub presiune.
Graficul arată dependența punctului de fierbere al apei de presiune. Presiunea în sistemele de încălzire este crescută intenționat. Acest lucru ajută la prevenirea formării bulelor de gaz în condiții critice de funcționare și, de asemenea, împiedică intrarea aerului din exterior în sistem.
Expansiunea apei la încălzire și protecție împotriva suprapresiunii
Sistemele de încălzire a apei funcționează la temperaturi ale apei de până la 90 °C. De obicei, sistemul este umplut cu apă la 15°C, care apoi se extinde atunci când este încălzită. Această creștere a volumului nu trebuie lăsată să conducă la exces de presiune și la preaplin de lichid.
Când încălzirea este oprită vara, volumul de apă revine la valoarea inițială. Astfel, pentru a asigura expansiunea nestingherită a apei, este necesar să instalați un rezervor suficient de mare.
Sistemele vechi de încălzire aveau rezervoare de expansiune deschise. Au fost întotdeauna situate deasupra celei mai înalte secțiuni a conductei. Pe măsură ce temperatura din sistem a crescut, determinând extinderea apei, a crescut și nivelul din rezervor. Pe măsură ce temperatura a scăzut, aceasta a scăzut în consecință.
Sistemele moderne de încălzire folosesc rezervoare de expansiune cu membrană (MEV). Când presiunea din sistem crește, presiunea din conducte și alte elemente ale sistemului nu trebuie lăsată să crească peste valoarea limită.
Prin urmare, o condiție prealabilă pentru fiecare sistem de încălzire este prezența unei supape de siguranță.
Când presiunea crește peste normal, supapa de siguranță trebuie să se deschidă și să elibereze excesul de apă pe care rezervorul de expansiune nu îl poate găzdui. Cu toate acestea, într-un sistem atent proiectat și întreținut, o astfel de condiție critică nu ar trebui să apară niciodată.
Toate aceste considerații nu țin cont de faptul că pompa de circulație crește și mai mult presiunea în sistem. Relația dintre temperatura maximă a apei, pompa selectată, dimensiunea vasului de expansiune și presiunea de răspuns a supapei de siguranță trebuie stabilită cu cea mai mare grijă. Selectarea aleatorie a elementelor sistemului - chiar și pe baza costului lor - este inacceptabilă în acest caz.
Rezervorul de expansiune cu membrană este furnizat umplut cu azot. Presiunea inițială din vasul cu diafragmă de expansiune trebuie reglată în funcție de sistemul de încălzire. Apa care se extinde din sistemul de încălzire intră în rezervor și comprimă camera de gaz printr-o diafragmă. Gazele pot fi comprimate, dar lichidele nu.
Presiune
Determinarea presiunii
Presiunea este presiunea statică a lichidelor și gazelor, măsurată în vase și conducte în raport cu presiunea atmosferică (Pa, mbar, bar).
Presiune statica
Presiunea statică este presiunea unui fluid staționar.
Presiune statică = nivelul deasupra punctului de măsurare corespunzător + presiunea inițială în vasul de expansiune.
Presiune dinamică
Presiunea dinamică este presiunea unui flux de fluid în mișcare. Presiunea de refulare a pompei Aceasta este presiunea la ieșirea unei pompe centrifuge în timpul funcționării.
Cadere de presiune
Presiunea dezvoltată de o pompă centrifugă pentru a depăși rezistența totală a sistemului. Se măsoară între intrarea și ieșirea unei pompe centrifuge.
Presiunea de operare
Presiunea disponibilă în sistem atunci când pompa este în funcțiune. Presiune de funcționare admisă Valoarea maximă a presiunii de funcționare admisă în condițiile de funcționare în siguranță a pompei și a sistemului.
Cavitație
Cavitație- este formarea de bule de gaz ca urmare a apariției presiunii locale sub presiunea de vaporizare a lichidului pompat la intrarea în rotor. Aceasta duce la o scădere a performanței (presiunii) și a eficienței și provoacă zgomot și distrugerea materialului părților interne ale pompei. Prin prăbușirea bulelor de aer în zonele cu presiune mai mare (cum ar fi ieșirea rotorului), exploziile microscopice provoacă creșteri de presiune care pot deteriora sau distruge un sistem hidraulic. Primul semn al acestui lucru este zgomotul în rotor și eroziunea acestuia.
Un parametru important al unei pompe centrifuge este NPSH (înălțimea coloanei de lichid deasupra conductei de aspirație a pompei). Acesta definește presiunea minimă de admisie a pompei necesară unui anumit tip de pompă pentru a funcționa fără cavitație, adică presiunea suplimentară necesară pentru a preveni formarea de bule. Valoarea NPSH este afectată de tipul rotorului și de viteza pompei. Factorii externi care influențează acest parametru sunt temperatura lichidului și presiunea atmosferică.
Prevenirea cavitației
Pentru a evita cavitația, lichidul trebuie să intre în admisia pompei centrifuge la o anumită înălțime minimă de aspirație, care depinde de temperatură și presiunea atmosferică.
Alte modalități de a preveni cavitația sunt:
Creșterea presiunii statice
Reducerea temperaturii lichidului (reducerea presiunii de vaporizare PD)
Selectarea unei pompe cu o înălțime hidrostatică constantă mai scăzută (înălțime minimă de aspirație, NPSH)
Specialiștii Agrovodcom vă vor ajuta cu plăcere să vă decideți asupra alegerii optime a pompei. Contactaţi-ne!
|
Alexandru
2013-10-22 09:38:26
[Răspuns] [Răspunde cu citat][Anuleaza raspunsul]
|
Suntem înconjurați de apă, de la sine, ca parte a altor substanțe și corpuri. Poate fi sub formă solidă, lichidă sau gazoasă, dar apa este mereu în jurul nostru. De ce crăpă asfaltul pe drumuri, de ce explodează un borcan de sticlă cu apă în frig, de ce geamurile se aburin în sezonul rece, de ce un avion lasă o urmă albă pe cer - vom căuta răspunsuri la toate acestea și alte „de ce” din această lecție. Vom afla cum se schimbă proprietățile apei atunci când este încălzită, răcită și înghețată, cum se formează peșterile subterane și figurile bizare în ele, cum funcționează un termometru.
Subiect: Natura neînsuflețită
Lecția: Proprietățile apei lichide
În forma sa pură, apa nu are gust, miros sau culoare, dar nu este aproape niciodată așa, deoarece dizolvă în mod activ majoritatea substanțelor în sine și se combină cu particulele lor. Apa poate pătrunde și în diverse corpuri (oamenii de știință au găsit apă chiar și în pietre).
Dacă umpleți un pahar cu apă de la robinet, acesta va părea curat. Dar, de fapt, este o soluție de multe substanțe, printre care se numără gaze (oxigen, argon, azot, dioxid de carbon), diverse impurități conținute în aer, săruri dizolvate din sol, fier din conductele de apă, mici particule de praf nedizolvate. , etc.
Dacă pipetați picături de apă de la robinet pe sticla curată și lăsați-o să se evapore, vor rămâne pete abia vizibile.
Apa râurilor și pâraielor și majoritatea lacurilor conține diverse impurități, de exemplu, săruri dizolvate. Dar sunt puține, pentru că această apă este proaspătă.
Apa curge pe pământ și sub pământ, umple pâraie, lacuri, râuri, mări și oceane, creând palate subterane.
Făcându-și drum prin substanțe ușor solubile, apa pătrunde adânc în subteran, luându-le cu ea și prin fante și crăpături din roci, formând peșteri subterane, picurând de pe acoperișurile lor, creând sculpturi bizare. Miliarde de picături de apă se evaporă de-a lungul sutelor de ani, iar substanțele dizolvate în apă (săruri, calcare) se așează pe arcadele peșterii, formând țurțuri de piatră numite stalactite.
Formațiuni similare de pe podeaua unei peșteri se numesc stalagmite.
Și când o stalactită și stalagmită cresc împreună pentru a forma o coloană de piatră, se numește stalagnat.
Observând plutirea gheții pe un râu, vedem apă în stare solidă (gheață și zăpadă), lichidă (curgând dedesubt) și gazoasă (particule mici de apă care se ridică în aer, care sunt numite și vapori de apă).
Apa poate fi în toate cele trei stări în același timp: există întotdeauna vapori de apă în aer și nori, care constau din picături de apă și cristale de gheață.
Vaporii de apă sunt invizibili, dar pot fi detectați cu ușurință dacă lăsați un pahar cu apă răcit în frigider timp de o oră într-o cameră caldă, picăturile de apă vor apărea imediat pe pereții paharului. La contactul cu pereții reci ai sticlei, vaporii de apă conținuti în aer sunt transformați în picături de apă și se depun pe suprafața sticlei.
Orez. 11. Condens pe pereții unui pahar rece ()
Din același motiv, interiorul geamului se aburiză în timpul sezonului rece. Aerul rece nu poate conține atât de mulți vapori de apă ca aerul cald, așa că o parte din el se condensează - se transformă în picături de apă.
Traseul alb din spatele unui avion care zboară pe cer este, de asemenea, rezultatul condensului apei.
Dacă aduci o oglindă la buze și expiri, pe suprafața ei vor rămâne mici picături de apă, ceea ce demonstrează că atunci când respiră o persoană inhalează vapori de apă cu aerul.
Când apa este încălzită, aceasta „se extinde”. Acest lucru poate fi dovedit printr-un experiment simplu: un tub de sticlă a fost coborât într-un balon cu apă și a fost măsurat nivelul apei din acesta; apoi balonul a fost coborât într-un vas cu apă caldă și, după încălzirea apei, a fost remăsurat nivelul din tub, care a crescut vizibil, deoarece apa crește în volum atunci când este încălzită.
Orez. 14. Un balon cu un tub, numărul 1 și o linie indică nivelul inițial al apei
Orez. 15. Un balon cu un tub, numărul 2 și o linie indică nivelul apei când este încălzită
Când apa se răcește, se „comprimă”. Acest lucru poate fi dovedit printr-un experiment similar: în acest caz, un balon cu un tub a fost coborât într-un vas cu gheață; după răcire, nivelul apei din tub a scăzut față de marca originală, deoarece apa a scăzut în volum.
Orez. 16. Un balon cu un tub, numărul 3 și o linie indică nivelul apei în timpul răcirii
Acest lucru se întâmplă deoarece particulele de apă, moleculele, se mișcă mai repede atunci când sunt încălzite, se ciocnesc unele de altele, sunt respinse de pereții vasului, distanța dintre molecule crește și, prin urmare, lichidul ocupă un volum mai mare. Când apa se răcește, mișcarea particulelor sale încetinește, distanța dintre molecule scade, iar lichidul necesită mai puțin volum.
Orez. 17. Molecule de apă la temperatură normală
Orez. 18. Moleculele de apă când sunt încălzite
Orez. 19. Molecule de apă în timpul răcirii
Nu numai apa, ci și alte lichide (alcool, mercur, benzină, kerosen) au astfel de proprietăți.
Cunoașterea acestei proprietăți a lichidelor a condus la inventarea unui termometru (termometru) care folosește alcool sau mercur.
Când apa îngheață, se extinde. Acest lucru poate fi dovedit dacă un recipient umplut până la refuz cu apă este acoperit lejer cu un capac și introdus în congelator; după un timp vom vedea că gheața formată va ridica capacul, trecând dincolo de recipient.
Această proprietate este luată în considerare la așezarea conductelor de apă, care trebuie izolate astfel încât la îngheț, gheața formată din apă să nu rupă conductele.
În natură, apa înghețată poate distruge munții: dacă apa se acumulează în crăpăturile stâncilor toamna, îngheață iarna, iar sub presiunea gheții, care ocupă un volum mai mare decât apa din care s-a format, rocile crăpă și se prăbușesc.
Înghețarea apei în crăpăturile drumurilor duce la distrugerea pavajului de asfalt.
Crestele lungi care seamănă cu falduri de pe trunchiurile copacilor sunt răni de la rupturi de lemn sub presiunea sevei care îngheață în el. Prin urmare, în iernile reci se aude trosnetul copacilor într-un parc sau pădure.
- Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Lumea din jurul nostru 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Lumea din jurul nostru 3. M.: Editura Fedorov.
- Pleshakov A.A. Lumea din jurul nostru 3. M.: Educație.
- Festivalul de Idei Pedagogice ().
- Știință și educație ().
- Clasa publică ().
- Faceți un scurt test (4 întrebări cu trei variante de răspuns) pe tema „Apa din jurul nostru”.
- Faceți un mic experiment: puneți un pahar cu apă foarte rece pe o masă într-o cameră caldă. Descrie ce se va întâmpla, explică de ce.
- *Desenați mișcarea moleculelor de apă în stare încălzită, normală și răcită. Dacă este necesar, scrieți legende pe desen.
