Какое усилие создает вода, переходя в ледяное состояние?

0 2020-01-14 01:18:09

Ответов: 3

Если вода замерзает при обычном давлении, то ее плотность с образованием льда уменьшается примерно на 9%. Поэтому замерзающая вода легко рвет стеклянные бутылки. Но что будет, если использовать достаточно прочный сосуд и не давать воде расширяться, но при этом отводить тепло? Тогда часть воды превратится в лед и расширится, а остальная останется жидкой, но сожмется. При этом в системе возрастет давление.

Вода считается почти несжимаемой жидкостью, но в действительности ее плотность возрастает примерно на полпроцента за каждые 100 атмосфер приложенного давления. Значит, когда 5% воды в нашем сосуде замерзнет, объем остальной воды уменьшится на 0,5%, а давление подскочит до 100 атмосфер — как в баллоне у аквалангиста.

По мере замерзания давление будет возрастать, пока не достигнет примерно 6000 атмосфер. К этому времени большая часть воды затвердеет, остатки жидкости будут иметь плотность 1,3 г/см3. Да и структура самого льда тоже измениться под действием давления — он приобретет необычную более плотную структуру называемую лед VI с плотностью 1,3 г/см3.

Итак, усилие, которое может развить замерзающая вода составляет до 6000 атмосфер. Это 5-6 раз больше, чем на дне Марианской впадины. Ни один обычный сосуд такое давление не выдержит, только специальное экспериментальное оборудование.

Я когда-то попытался это посчитать. Даже в "Ленинку" ездил, чтобы узнать коэффициент сжимаемости льда (сейчас бы, конечно, нашел бы в интернете). Получилось вот что.

Я взял такую модель. Толстая плита из прочной стали, в ней шаровая полость с водой при нуле градусов. Охладим плиту на один градус. Лед начнет намерзать на стенках полости. Из литра воды получится 1,09 л льда, который сжимает воду. И уже тонкий слой льда сильно увеличит давление в полости. Формула увеличения давления простая: ?P = ?V/(Vо?). Здесь где ?V – изменение объема сжатой воды, Vо исходный объем воды, ? – ее сжимаемость, она равна 5.10^-5 атм-1. То есть увеличение давления на 1 атм объем воды уменьшится на пять стотысячных начального. (Примерно так же сжимаются рубидий и цезий, а ртуть сжимается на порядок хуже воды.)

Пусть объем полости 10 л, замерзло x л воды, тогда, если подставить все значения, то получится, что изменение давления описывается простой формулой

?P = 2000х/(10 - х) атм. При этом предполагается, что лед не сжимается. Но это не совсем так: он сжимается, но примерно вчетверо хуже, чем вода. И это создает некоторую ошибку в расчетах. А дают они такие числа. Если из 10 л замерзло 0,1 л (при этом образуется слой льда толщиной 0,5 мм - это легко подсчитать), то давление будет примерно 20 атм. И дальше по мере нарастания слоя льда оно будет расти очень быстро. И следует учитывать, что с давлением понижается температура замерзания воды, примерно на один градус на каждые 130 атм. Если не считаться с сжимаемостью льда, можно получить теоретически бесконечное давление. Например, если бы замерзло 9,9 л воды, давление повысилось бы до 200 тысяч атм. Но этого реально не будет. Потому что при больших давлениях лед "ломается", то есть разрушается его кристаллическая решетка (она у обычного льда довольно рыхлая). Это разрушение произойдет при давлении около 2060 атм. При таком давлении вода замерзает уже при минус 22оC. Получается так называемой лед-III (разных льдов известно множество, есть и "горячий лед"; фазовая диаграмма воды изучена довольно хорошо). Результат "ломки льда" - давление перестает расти. Его можно повышать только с помощью пресса. Именно так были получены разные модификации льда, например, тот самый горячий лед-VII. При давлении 30 тысяч атм он плавится только при 190оC.

При замерзании вода расширяется и с усилием происходит давление. Если заморозить воду в стеклянной бутылке, она лопнет. Так же если и в пластиковой заморозить, она может её разорвать изнутри.