Почему лёд не тонет в воде?

Почему при этом тонет воск?

Вода — необычное вещество, обладающее редкими, даже аномальными свойствами. В природе большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39 ºС, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.

Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно +4 ºС до 0 ºС она расширяется. Вот почему зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замёрзла и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.

Расширение воды

Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (т. е. её твёрдой формы) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный объём льда весит меньше, чем тот же объём воды. Сказанное отражает формула m = ρV, где V — объём тела, m — масса тела, ρ — плотность вещества. Между плотностью и объёмом существует обратно пропорциональная зависимость (V = m/ρ), т. е. при увеличении объёма (при охлаждении воды) одна и та же масса будет иметь меньшую плотность. Данное свойство воды приводит к формированию льда на поверхности водоёмов — прудов и озёр.

Предположим, что плотность воды равна 1. Тогда лёд будет иметь плотность равную 0,91. Благодаря этой цифре мы можем узнать толщину льдины, которая плывет по воде. Например, если льдина имеет высоту над водой 2 см, то можно сделать вывод, что её подводный слой в 9 раз толще (т. е. 18 см), а толщина всей льдины — 20 см.

В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют огромные размеры. Самым крупным из известных человеку считается айсберг с площадью поверхности 31 000 кв. километров, который был обнаружен в 1956 году в Тихом океане.

Каким образом вода в твёрдом состоянии увеличивает свой объём? За счёт изменения своей структуры. Ученые доказали, что лёд имеет ажурное строение с полостями и пустотами, которые при плавлении заполняются молекулами воды.

Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.

Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже 0 ºС, и тем не менее она не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около 100 атмосфер.

Сравнение плотности воды и льда

Может ли плотность воды быть меньше плотности льда и означает ли это, что он утонет в ней? Ответ на данный вопрос утвердительный, что легко доказать следующим экспериментом.

Возьмём из морозильной камеры, где температура равна -5 ºС, кусок льда величиной в треть стакана или немного больше. Опустим его в ведро с водой температурой +20 ºС. Что мы наблюдаем? Лёд быстро погружается и тонет, постепенно начиная таять. Это происходит потому, что вода температурой +20 ºС имеет меньшую плотность по сравнению со льдом температурой -5 ºС.

Существуют модификации льда (при высоких температурах и давлениях), которые ввиду большей плотности будут в воде тонуть. Речь идёт о так называемом «тяжёлом» льде — дейтериевом и тритиевом (насыщенном тяжёлым и сверхтяжёлым водородом). Несмотря на наличие таких же пустот, как в протиевом льде, он утонет в воде. В противовес «тяжёлому» льду, протиевый лишён тяжёлых изотопов водорода и содержит 16 миллиграммов кальция на литр жидкости. Процесс его приготовления предполагает очищение от вредных примесей на 80%, благодаря чему протиевая вода считается наиболее оптимальной для жизнедеятельности человека.

Значение в природе

Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.

Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды  (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается. Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей.

Таким образом, +4 ºС — температура максимальной плотности воды — это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.

Применение в быту

Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.

А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках — большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.

Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.

Различие в замерзании воска и воды

Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.

Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.

Вода с примесью соли

Добавление поваренной соли к воде снижает точку её замерзания. Именно по этой причине зимой дороги посыпают солью. Солёная вода замерзает при температуре -8 °С и ниже, поэтому пока температура не упадёт как минимум до этой точки, замерзания не происходит.

Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лёд тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая её. При этом поглощается столько тепла, что температура может упасть ниже -15 °С.

Универсальный растворитель

Чистая вода (молекулярная формула H₂0) не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Молекула воды состоит из водорода и кислорода. При попадании в воду других веществ (растворимых и нерастворимых в воде) происходит её загрязнение, поэтому в природе нет абсолютно чистой воды. Все вещества, которые встречаются в природе, в разной степени могут растворяться в воде. Это определяется их уникальными свойствами — растворимостью в воде. Поэтому вода считается «универсальным растворителем».

Гарант стабильной температуры воздуха

Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоёмкости, но, тем не менее, процесс остывания происходит намного медленнее. Это даёт возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям. Высвобождение тепла происходит в зимний период, благодаря чему нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря – это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории Земли.

Поверхностное натяжение

Ещё одно чрезвычайно важное свойство воды – исключительно большое поверхностное натяжение. Молекулы на поверхности воды испытывают действие межмолекулярного притяжения с одной стороны. Так как у воды силы межмолекулярного взаимодействия аномально велики, то каждая «плавающая» на поверхности воды молекула как бы втягивается внутрь слоя воды. Именно этим свойством объясняется шаровая форма воды в условиях невесомости, поднятие воды в почве и в капиллярных сосудах деревьев, растений и т. д.

Вывод

Тот факт, что лёд не тонет, а плавает на поверхности, объясняется его меньшей плотностью по сравнению с водой (удельная плотность воды 1000 кг/м³, льда — около 917 кг/м³). Данный тезис справедлив не только в отношении льда, но и любого другого физического тела. Например, плотность бумажного кораблика или осеннего листка намного ниже плотности воды, что и обеспечивает их плавучесть.

Тем не менее, свойство воды иметь в твёрдом состоянии меньшую плотность является большой редкостью в природе, исключением из общего правила. Аналогичными свойствами обладают лишь металл и чугун (сплав металла железа и неметалла углерода).