filinschool.ru → Наращивание

— Other. Почему лёд не тонет в воде? Проводим опыт над силой расширения воды

Нас совершенно не удивляют плавающие ледяные глыбы в начале весны, когда водоемы начинают освобождаться от зимней «одежды» и открывают человеческому взору красоту пресной воды. Мы настолько привыкли к этому природному явлению, что даже не задумываемся и не задаемся вопросом, почему лед не тает? И если подумать, то не сразу вспоминаешь примеры, когда твердые вещества наподобие льда плавают в жидкостях, которые образуются при их плавлении. Можно расплавить в емкости парафин или воск и в образовавшуюся лужицу бросить кусочек того же вещества, только в твердом состоянии. И что мы видим? Воск и парафин благополучно тонут в жидкости, которая образовалась в результате их же плавления.

Почему лёд не тонет в воде? Дело в том, что вода в этом примере - очень редкое и уникальное по своей сути исключение. В природе только металл и чугун ведут себя аналогично кусочку льда, держащегося на поверхности воды.

ли бы лед был тяжелее воды, то он непременно бы тонул под своей же тяжестью и при этом вытеснял воду, находящуюся в нижней части водоема на поверхность. В результате весь водоем промерзал бы до самого дна! Однако, когда вода замерзает, происходит совершенно иная ситуация. Превращение воды в лед увеличивает ее объем приблизительно на 10% и именно в этот момент лед имеет меньшую плотность, нежели сама вода . Именно по этой причине лед плавает на поверхности воды и не тонет. Тоже самое можно наблюдать, когда на воду опускается бумажный кораблик, плотность которого намного раз меньше плотности воды. Был бы кораблик из дерева или другого материала, то непременно утонул бы. Если сравнивать показатели плотности в цифрах, то, к примеру, если плотность воды составляет единицу, то плотность льда будет равна 0,91.

Увеличение объема воды при переходе ее в состояние льда следует учитывать и в повседневной жизни. Достаточно оставить на морозе бочку, доверху заполненную водой, то жидкость, замерзнув, разорвет емкость. Именно поэтому не рекомендуется оставлять воду в радиаторе автотранспортного средства, которое стоит на морозе. Также в сильные морозы необходимо опасаться перерывов в подаче теплой воды, идущей по трубам отопления. Если в наружной трубе осталась вода, то она моментально замерзает, что неминуемо приведет к повреждению водопровода.

Как известно, в океанах и морях на больших глубинах, где температура ниже нулевой отметки, вода все равно не замерзает и не превращается в глыбу льда . Объяснить это достаточно просто - верхние слои воды создают огромное давление. К примеру, слой воды в один километр давит с силой более ста атмосфер.

Если бы вода была нормальной, а не уникальной жидкостью, мы не получали бы удовольствие от катания на коньках. Мы же не катаемся по стеклу? А ведь оно намного глаже и привлекательнее льда. Но стекло - такой материал, по которому коньки скользить не будут. А вот по льду, даже не очень хорошего качества кататься на коньках одно удовольствие. Вы спросите почему? Дело в том, что тяжесть нашего тела давит на очень тонкое лезвие конька, которое оказывает сильное давление на лед . В результате этого давления от конька лед начинает таять с образованием тонкой пленки воды, по которой конек превосходно скользит.

Как объяснить ребенку сложные физические процессы?

Первое, что приходит на ум, так что плотность. Да, на самом деле, лёд плавает потому, что он менее плотный, чем вода. Но как объяснить ребенку, что такое плотность? Рассказывать ему школьную программу никто не обязан, а вот свести все к тому, что лёд легче, вполне реально. Ведь по факту один и то же объем воды и льда обладает разным весом. Если изучать проблему более подробно, то можно озвучить еще несколько причин, кроме плотности.
Лед в воде не тонет не только потому, что его уменьшенная плотность не дает ему опускаться ниже. Причина еще и в том, что в толще льда заморожены небольшие пузырьки воздуха. Они также уменьшают плотность, а потому в общем получается, что вес пластины из льда становится еще меньше. Когда лед расширяется, он не захватывает больше воздуха, но зато все те пузырьки, которые уже оказались внутри этого пласта, оказываются там до тех пор, пока лед не начнет таять или сублимироваться.

Проводим опыт над силой расширения воды

Но как доказать, что лёд на самом деле расширяется? Ведь вода тоже может расширяться, как же доказать это в искусственных условиях? Можно провести интересный и очень простой опыт. Для этого понадобится пластиковый или картонный стаканчик и вода. Ее количество необязательно должно быть большим, заполнять стаканчик до краев не потребуется. Также в идеале нужна температура около -8 градусов или ниже. Если температура будет слишком высокой, опыт продлится неоправданно долго.
Итак, вода залита внутрь, надо ждать, когда образуется лёд. Поскольку мы выбрали оптимальную температуру, при которой небольшой объем жидкости обратится в лёд в течение двух-трех часов, можно спокойно идти домой и ждать. Ждать нужно до тех пор, пока вся вода не обратится в лед. Спустя некоторое время смотрим на результат. Деформированный или разорванный льдом стаканчик гарантирован. При более низкой температуре последствия выглядят более эффектно, да и сам эксперимент занимает меньше времени.

Негативные последствия

Получается простой опыт подтверждает, что в ледяные глыбы и правда расширяются при уменьшении температуры, а объем воды легко увеличивается при замерзании. Как правило, эта особенность несет немало проблем забывчивым людям: бутылка шампанского, оставленная на балконе под Новый год на большой срок, разрывается из-за воздействия льда. Поскольку сила расширения очень большая, повлиять на нее никак нельзя. Ну а что касается плавучести ледяных глыб, то здесь можно ничего не доказывать. Самые любопытные могут легко провести подобный опыт весной или осенью самостоятельно, пытаясь утопить в большой луже кусочки льда.

В том, что лёд плавает на воде, никто не сомневается; каждый это видел сотни раз и на пруду, и на реке.

Но многие ли задумывались над таким вопросом: все ли твёрдые вещества ведут себя так же, как лёд, то есть плавают в жидкостях, образовавшихся при их плавлении?

Расплавьте в банке парафин или воск и бросьте в эту жидкость ещё кусочек того же твёрдого вещества, он тотчас же потонет. То же произойдёт и со свинцом:, и с оловом, и со многими другими веществами. Оказывается, как правило, твёрдые тела всегда тонут в жидкостях, которые образуются при их плавлении.

Обращаясь чаще всего с водой, мы так привыкли к обратному явлению, что нередко забываем это характерное для всех других веществ свойство. Надо помнить, что вода в этом отношении представляет редкое исключение. Только металл висмут и чугун ведут себя так же, как и вода.

Если бы лёд был тяжелее воды и не удерживался бы на её поверхности, а тонул, то даже в глубоких водоёмах вода замерзала бы зимой целиком. В самом: деле, падающий на дно пруда лёд вытеснял бы нижние слои воды вверх, и это происходило бы до тех пор, пока вся вода не превратилась в лёд.

Однако при замерзании воды происходит совсем обратная картина. В тот момент, когда вода превращается в лёд, объём её внезапно увеличивается примерно на 10 процентов, и лёд оказывается менее плотным, чем вода. Поэтому-то он и плавает в воде, как плавает любое тело в жидкости, имеющей большую плотность: железный гвоздь в ртути, пробка в масле и т. д. Если считать плотность воды равной единице, то плотность льда будет составлять только 0,91. Эта цифра позволяет нам узнать толщину плывущей по воде льдины. Если высота льдины над водой равна, например, 2 сантиметрам, то мы можем заключить, что подводный слой льдины в 9 раз толще, то есть равен 18 сантиметрам, а вся льдина имеет 20 сантиметров толщины.

В морях и океанах встречаются иногда огромные ледяные горы - айсберги (рис. 4). Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём — нескольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятаны под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно во-время не заметит движущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.

Внезапное увеличение объёма при переходе жидкой коды в лёд представляет важную особенность воды. С этой особенностью приходится часто считаться в практической жизни. Если оставить бочку с водой на морозе, то вода, замёрзнув, разорвёт бочку. По этой же причине нельзя оставлять воду в радиаторе автомобиля, стоящего в холодном гараже. В сильные морозы нужно опасаться малейшего перерыва в подаче тёплой воды по трубам водяного отопления: вода, остановившаяся в наружной трубе, может быстро замёрзнуть, и тогда труба лопнет.

Замерзая в трещинах скал, вода нередко является причиной горных обвалов.

Рассмотрим теперь один опыт, который имеет прямое отношение к расширению воды при нагревании. Постановка этого опыта требует специального оборудования, и вряд ли кто из читателей может его воспроизвести в домашней обстановке. Да это и не является необходимостью; опыт легко себе представить, а его результаты мы постараемся подтвердить на хорошо знакомых для каждого примерах.

Возьмём очень крепкий металлический, лучше всего стальной цилиндр (рис. 5), насыплем на дно его немного дроби, наполним водой, укрепим крышку болтами и станем поворачивать винт. Так как вода сжимается очень мало, то долго крутить винт не придётся. Уже после нескольких оборотов давление внутри цилиндра поднимается до сотен атмосфер. Если теперь цилиндр охладить даже на 2-3 градуса ниже нуля, то вода в нём не замёрзнет. Но как в этом убедиться? Если открыть цилиндр, то при такой температуре и атмосферном давлении вода моментально превратится в лёд, и мы не будем знать, была ли она жидкой или твёрдой, когда находилась под давлением. Здесь нам помогут насыпанные дробинки. Когда цилиндр остужен, перевернём его вверх дном. Если вода замёрзла, дробь будет лежать на дне, если не замёрзла, дробь соберётся у крышки. Открутим винт. Давление упадёт, и вода обязательно замёрзнет. Сняв крышку, мы убеждаемся, что вся дробь собралась около крышки. Значит, действительно вода, находящаяся под давлением, не замерзала при температуре ниже нуля.

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

Если бы мы стали строить свои рассуждения на основании наблюдений над множеством других веществ, то должны были бы прийти к обратному выводу. Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объёме. Давление вызывает уменьшение объёма и этим облегчает переход жидкости в твёрдое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объёме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расширению воды, понижает температуру её замерзания.

Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже нуля градусов, и тем не менее вода на этих глубинах не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около ста атмосфер.

Будь вода нормальной жидкостью, мы вряд ли бы испытывали удовольствие от катанья на коньках по льду. Это было бы то же самое, что и катанье по совершенно гладкому стеклу. Коньки не скользят по стеклу. Совсем другое дело на льду. Кататься на коньках по льду очень легко. Почему? Под тяжестью нашего тела тонкое лезвие конька производит на лёд довольно сильное давление, и лёд под коньком тает; образуется тонкая плёнка воды, которая служит превосходной смазкой.

Ким Ирина, обучающаяся 4 класса

Исследовательская работа по теме " Почему лёд не тонет?"

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное казённое Образовательное Учреждение «Красноярская СОШ»

Исследовательская работа

Выполнила:

Ким Ирина,

обучающаяся 4 класса.

Руководитель:

Иванова Елена Владимировна,

учитель начальных классов.

с. Красный Яр 2013г.

1. Введение.

2.Основная часть:

Почему же предметы плавают?

Древнегреческий ученый Архимед.

Закон Архимеда.

Эксперименты.

Важная особенность воды.

3. Заключение.

4. Список литературы.

5. Приложения.

Введение.

Почему одни вещества тонут в воде, а другие нет? И почему есть так мало веществ, способных плавать в воздухе (т. е. летать)? Понимание законов плавучести (и погружения) позволяет инженерам строить корабли из металлов, которые тяжелее воды, и конструировать дирижабли и воздушные шары, способные плавать в воздухе. В спасательный жилет накачивают воздух, поэтому он помогает человеку держаться на воде.

В том, что лёд плавает на воде, никто не сомневается; каждый это видел сотни раз и на пруду, и на реке. Но почему это происходит? Какие ещё предметы способны держатся на воде? Вот это я и решила выяснить.

Цель:

Определение причин непотопляемости льда.

Задачи:

1.Выяснить условия плавания тел.

2. Выяснить, почему не тонет лёд.

3. Провести эксперимент по изучению плавучести.

Гипотеза:

Возможно, лёд не тонет, потому, что, вода плотнее льда.

Основная часть:

Почему же предметы плавают?

Если погрузить тело в воду, оно вытеснит некоторое количество воды. Тело занимает место, где раньше была вода, и уровень воды поднимается.

Если верить легенде, древнегреческий ученый Архимед (287 - 212 до н.э.), находясь в ванне, догадался, что погруженное тело вытесняет равный объем воды. На средневековой гравюре изображен Архимед, совершивший свое открытие . (см. Приложение1)

Сила, с которой вода выталкивает погруженное в нее тело, называется силой выталкивания.

Закон Архимеда гласит, что сила выталкивания равна весу жидкости, вытесненной погруженным в неё телом. Если сила выталкивания меньше веса тела, то оно тонет, если она равна весу тела, оно плавает.

Эксперимент № 1 :(см.Приложение 2)

Я решила увидеть, как действует сила выталкивания, отметила уровень воды, опустила в сосуд с водой пластилиновый шарик на резинке. После погружения уровень воды поднялся, а длина резинки уменьшилась. Отметила фломастером новый уровень воды.

Вывод: Со стороны воды на пластилиновый шарик подействовала сила, направленная вверх. Поэтому уменьшилась длина резинки, т.е. шарик, погруженный в воду стал легче.

Потом слепила из этой же пластилина лодочку и осторожно опустила её на воду. Как видите, вода поднялась ещё выше. Лодочка вытеснила больше воды, чем шарик, а значит, и сила выталкивания больше.

Волшебство свершилось, тонущий материал плавает на поверхности! Ай да Архимед!

Чтобы тело не тонуло, его плотность должна быть меньше плотности воды.

Не знаете, что такое плотность? Это масса однородного вещества в единице объема.

Эксперимент № 2: «Зависимость выталкивающей силы от плотности воды» (см.Приложение 3)

Я взяла: стакан с чистой водой (неполный), сырое яйцо и соль.

Поместила в стакан яйцо, если яйцо свежее - оно опустится на дно. Затем начала аккуратно досыпать в стакан соль и наблюдала, как яйцо начнет всплывать.

Вывод: При увеличении плотности жидкости увеличивается выталкивающая сила.

В яйце есть воздушный пакет, и при изменении плотности жидкости яйцо всплывает к поверхности на манер подводной лодки.

Раньше, до изобретения холодильников, наши предки проверяли, свежее яйцо или нет: свежие яйца тонут в чистой воде, а испортившиеся - всплывают, так как внутри них образуется газ.

Эксперимент № 3 «Водоплавающий лимон» (см.Приложение 4)

Набрала в емкость воду и опустила в нее лимон. Лимон плавает. А потом очистила его от кожуры и вновь опустила в воду. Лимон утонул.

Вывод: лимон утонул из-за того, что увеличилась его плотность. Кожура у лимона менее плотная, чем его внутренность, и содержит много частичек воздуха, которые помогают лимону оставаться на поверхности воды.

Эксперимент № 4 (см.Приложение 5)

1. В стакан налила воду и поставила на улицу. Когда вода замёрзла, стакан лопнул. Положила образовавшийся лёд в емкость с холодной водой и увидела, что он плавает.

2. В другой ёмкости посолила хорошенько воду и размешала до полного ее растворения. Взяла лёд и повторила опыт. Лёд плавает, и даже лучше, чем в пресной воде, чуть ли не наполовину выступая из воды.

Все ясно! Кубик льда плавает, потому что, при замерзании лёд расширяется и становится легче воды. Плотность обычной, жидкой воды несколько больше, чем плотность замерзшей воды, то есть, льда.При увеличении плотности жидкости увеличивается выталкивающая сила.

Научные факты:

1факт Архимед: на всякое тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила.

2 факт Михаил Ломоносов:

Лёд не тонет потому, что имеет плотность – 920 кг\куб.м. А вода, плотнее –1000 кг\куб.м.

Вывод:

Я нашла 2 причины непотопляемости льда:

На всякое тело, погружённое в воду действует выталкивающая сила.
Плотность льда меньше плотности любой воды.

Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами и лед был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее жидкой воды.

Зимой намерзающий сверху более плотный лед тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно водоема. Летом лед, защищенный толщей холодной воды, не мог бы растаять.

Постепенно все озера, пруды, реки, ручьи промерзли бы нацело, превратившись в гигантские ледяные глыбы. Наконец, промерзли бы моря, а за ними и океаны. Наш прекрасный цветущий зеленый мир стал бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тонким слоем талой воды.Одним из таких неповторимых свойств воды является ее способность расширяться при замерзании. Ведь все вещества при замерзании, то есть при переходе из жидкого состояния в твердое, сжимаются, а вода наоборот – расширяется. Ее объем при этом увеличивается на 9%. Но когда на поверхности воды образуется лед, то он, находясь между холодным воздухом и водой, препятствует дальнейшему охлаждению и промерзанию водоемов. Это необычное свойство воды, кстати, имеет важность и для образования почвы в горах. Попадая в маленькие трещины, которые всегда найдутся в камнях, дождевая вода при замерзании расширяется и разрушает камень. Так, постепенно каменная поверхность становится способной приютить растения, которые своими корнями довершают этот процесс разрушения камней и приводят к образованию на склонах гор почвы.

Лед всегда находится на поверхности воды и служит настоящим теплоизолятором. То есть вода под ним не так охлаждается, ледяная шуба надежно защищает ее от мороза. Оттого редкий водоем промерзает зимой до дна, хотя при экстремальных температурах воздуха это возможно.

Внезапное увеличение объёма при переходе воды в лёд представляет важную особенность воды. С этой особенностью приходится часто считаться в практической жизни. Если оставить бочку с водой на морозе, то вода, замёрзнув, разорвёт бочку. По этой же причине нельзя оставлять воду в радиаторе автомобиля, стоящего в холодном гараже. В сильные морозы нужно опасаться малейшего перерыва в подаче тёплой воды по трубам водяного отопления: вода, остановившаяся в наружной трубе, может быстро замёрзнуть, и тогда труба лопнет.

Да, бревно, какое бы оно ни было большое, в воде не тонет. Секрет этого явления в том, что плотность дерева меньше плотности воды.

Между прочим...

Есть деревья, которые тонут в воде! Причина этого, что их плотность больше, чем плотность воды. Эти деревья называют «железными». К "железным деревьям" относятся, например, парротия персидская, азобе (африканское тропическое железное дерево), амазонское дерево, эбеновое дерево, палисандр, или розовое дерево, кумару и другие. У всех этих деревьев очень твердая и плотная древесина, насыщенная маслами, кора этих деревьев устойчива к гниению. Поэтому лодка из такого дерева тут же пойдет на дно, но зато "железные деревья" - отличный материал для изготовления мебели.

В морях и океанах встречаются иногда огромные ледяные горы - айсберги. Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём - нескольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятаны под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно вовремя не заметит движущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.

Рис. 4. Девять десятых массы айсберга находятся под водой.

Даже не смотря на то, что корабль сделан из железа, очень тяжелый, да ещё перевозит людей и грузы, он не тонет. Почему? А все дело в том, что в корабле кроме команды, пассажиров, груза есть воздух. А воздух намного легче воды. Корабль устроен так, что внутри него есть некоторое пространство, заполненное воздухом. Именно оно поддерживает корабль на поверхности воды и не даёт ему утонуть.

Подводные лодки

Подводные лодки погружаются и всплывают, изменяя свою относительную плотность. У них на борту есть большие контейнеры – балластные резервуары. Когда из них уходит воздух и внутрь закачивается вода, плотность лодки увеличивается и она погружается. Чтобы всплыть на поверхность, экипаж удаляет из резервуаров воду и накачивает туда воздух. Плотность вновь уменьшается и лодка всплывает. Балластные резервуары помещаются между внешним корпусом и стенками внутреннего отсека. Экипаж живёт и работает во внутреннем отсеке. Подводная лодка оснащена мощными винтами, которые позволяют ей двигаться сквозь толщу воды. На некоторых лодках установлены атомные реакторы.

Заключение.

Таким образом, проделав большую работу, я поняла. Что моя гипотеза, о том, почему лёд не тонет, подтвердилась.

Причины непотопляемости льда :

1. Лёд состоит из кристаллов воды, между которыми находится воздух. Следовательно, плотность льда меньше плотности воды.

2. На лёд со стороны воды действует выталкивающая сила.

Если бы вода была нормальной, а не уникальной жидкостью, мы не получали бы удовольствие от катания на коньках. Мы же не катаемся по стеклу? А ведь оно намного глаже и привлекательнее льда. Но стекло – такой материал, по которому коньки скользить не будут. А вот по льду, даже не очень хорошего качества кататься на коньках одно удовольствие. Вы спросите почему? Дело в том, что тяжесть нашего тела давит на очень тонкое лезвие конька, которое оказывает сильное давление на лед. В результате этого давления от конька лед начинает таять с образованием тонкой пленки воды, по которой конек превосходно скользит.

Приложение

Приложение1

Маленькие дети очень часто задают интересные вопросы взрослым, а те не всегда могут ответить на них сразу. Чтобы не казаться ребенку глупым, рекомендуем ознакомиться с полноценным и развернутым, обоснованным ответом касательно плавучести льда. Ведь плавает, а не тонет. Почему же так происходит?

Как объяснить ребенку сложные физические процессы?

Первое, что приходит на ум, так что плотность. Да, на самом деле, лёд плавает потому, что он менее плотный, чем . Но как объяснить ребенку, что такое плотность? Рассказывать ему школьную программу никто не обязан, а вот свести все к тому, что , вполне реально. Ведь по факту один и то же объем воды и льда обладает разным весом. Если изучать проблему более подробно, то можно озвучить еще несколько причин, кроме плотности.
не только потому, что его уменьшенная плотность не дает ему опускаться ниже. Причина еще и в том, что в толще льда заморожены небольшие пузырьки воздуха. Они также уменьшают плотность, а потому в общем получается, что вес пластины из льда становится еще меньше. Когда лед расширяется, он не захватывает больше воздуха, но зато все те пузырьки, которые уже оказались внутри этого пласта, оказываются там до тех пор, пока лед не начнет таять или сублимироваться.

Проводим опыт над силой расширения воды

Негативные последствия

Все знают, что лёд - это замёрзшая вода, правильнее сказать, пребывающая в твёрдом агрегатном состоянии. Но почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности?

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.

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 H 2 0) 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

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).

Почему лёд плавает

Всем известно, что лед не тонет, а плавает на поверхности воды. Этот факт весьма необычен, так как лед – твердое тело, а твердые тела, как правило, всегда тонут в жидкости, которая образуется при их плавлении.

Все вещества в природе при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода следует этому правилу, но лишь до определённой температуры. Она сжимается, охлаждаясь до +4°С. При такой температуре вода обладает наибольшей плотностью и весом. Охлаждаясь дальше и превращаясь в лед при 0°С, она... расширяется. При этом лед увеличивается в объеме, а плотность и вес уменьшаются. Лед становится легче воды, из которой образовался. Вот почему лед не тает в воде, а плавает на ее поверхности.

Благодаря этой особенности льда вода в водоёмах замерзает только на поверхности. Если бы лёд тонул в воде, он опускался бы на дно, вода на поверхности снова превращалась бы в лёд и снова опускалась... за считанные дни водоём замёрз бы от поверхности до дна, а вместе с водой замёрзли бы все животные и растения... То, что лёд легче воды "придумано" природой для того, чтоб жизнь в воде не перестала существовать, а вместе с ней и жизнь на всей Земле.

Когда вода замерзает и превращается в лёд, она расширяется и увеличивается в объёме не на сколько угодно, а примерно на одну девятую. Это значит, что если 9 литров воды замёрзнут, то получится 10 литров льда.

Когда лед плывёт, на поверхности мы видим лишь одну девятую часть. Например, если льдина имеет высоту 2 см над водой, то под водой её слой в 9 раз толще, то-есть 2 умножить на 9 =18 см, а толщина всей льдины 20 см.

В морях и океанах встречаются иногда огромные ледяные горы - айсберги. Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём - нескольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятаны под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно во-время не заметит движущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.