چرا یخ در آب فرو نمی رود؟ - سایر یخ ها در آب شناور هستند زیرا

کیم ایرینا، دانش آموز کلاس چهارم

مقاله تحقیقاتی با موضوع "چرا یخ فرو نمی رود؟"

دانلود:

پیش نمایش:

موسسه آموزشی دولتی شهرداری "دبیرستان کراسنویارسک"

پژوهش

انجام:

کیم ایرینا،

دانش آموز کلاس چهارم.

سرپرست:

ایوانووا النا ولادیمیروا،

معلم مدرسه ابتدایی.

با. کراسنی یار 2013

1. معرفی.

2-بخش اصلی:

چرا اجسام شناورند؟

ارشمیدس دانشمند یونان باستان.

قانون ارشمیدس

آزمایش.

یک ویژگی مهم آب.

3. نتیجه گیری.

4. فهرست مراجع.

5. برنامه های کاربردی.

معرفی.

چرا برخی از مواد در آب فرو می روند و برخی دیگر نه؟ و چرا مواد کمی وجود دارند که می توانند در هوا شناور شوند (یعنی پرواز کنند)؟ درک قوانین شناوری (و غرق شدن) به مهندسان این امکان را می دهد که کشتی هایی از فلزات سنگین تر از آب بسازند و کشتی های هوایی و بالن هایی را طراحی کنند که می توانند در هوا شناور شوند. جلیقه نجات با هوا باد می شود، بنابراین به فرد کمک می کند روی آب بماند.

هیچ کس شک ندارد که یخ روی آب شناور است. همه این را صدها بار هم در برکه و هم روی رودخانه دیده اند. اما چرا این اتفاق می افتد؟ چه اجسام دیگری می توانند روی آب شناور باشند؟ این چیزی است که تصمیم گرفتم بفهمم.

هدف:

تعیین دلایل غرق نشدن یخ.

وظایف:

1. شرایط شناور اجسام را دریابید.

2. دریابید که چرا یخ فرو نمی رود.

3. آزمایشی برای مطالعه شناوری انجام دهید.

فرضیه:

شاید یخ غرق نمی شود زیرا آب از یخ متراکم تر است.

بخش اصلی:

چرا اجسام شناورند؟

اگر جسمی را در آب غوطه ور کنید، مقداری آب را جابجا می کند. بدن جایی را که آب در گذشته بود اشغال می کند و سطح آب بالا می رود.

طبق افسانه، ارشمیدس دانشمند یونان باستان (287 - 212 قبل از میلاد)، در حالی که در حمام بود، حدس زد که یک جسم غوطه ور حجم برابر آب را جابجا می کند. حکاکی قرون وسطایی ارشمیدس را در حال کشف خود نشان می دهد. (به پیوست 1 مراجعه کنید)

نیرویی که آب جسم غوطه ور در آن را فشار می دهد نیروی شناوری نامیده می شود.

قانون ارشمیدس بیان می کند که نیروی شناوری برابر با وزن مایع جابجا شده توسط جسم غوطه ور در آن است. اگر نیروی شناوری کمتر از وزن بدن باشد، فرو می‌رود و اگر برابر وزن جسم باشد، شناور می‌شود.

آزمایش شماره 1 :(به پیوست 2 مراجعه کنید)

تصمیم گرفتم ببینم نیروی شناوری چگونه کار می کند، سطح آب را یادداشت کردم و یک توپ پلاستیکی را با یک نوار الاستیک در ظرفی با آب پایین آوردم. پس از غواصی، سطح آب بالا رفت و طول کش کاهش یافت. سطح آب جدید را با نوک خودکار مشخص کردم.

نتیجه‌گیری: از سمت آب، نیرویی که به سمت بالا هدایت می‌شود، روی توپ پلاستیکی وارد می‌شود. بنابراین، طول باند الاستیک کاهش یافته است، یعنی. توپ غوطه ور در آب سبک تر شد.

سپس او یک قایق را از همان پلاستیلین قالب زد و آن را با احتیاط داخل آب کرد. همانطور که می بینید، آب حتی بیشتر شده است. قایق آب بیشتری نسبت به توپ جابجا کرد، که به این معنی است که نیروی شناوری بیشتر است.

جادو اتفاق افتاده است، مواد غرق شده به سطح شناور می شوند! هی ارشمیدس!

برای جلوگیری از غرق شدن جسم، چگالی آن باید کمتر از چگالی آب باشد.

نمی دانید چگالی چیست؟ این جرم یک ماده همگن در واحد حجم است.

آزمایش شماره 2: "وابستگی نیروی شناور به چگالی آب"(به پیوست 3 مراجعه کنید)

من گرفتم: یک لیوان آب تمیز (نه پر)، یک تخم مرغ خام و نمک.

تخم مرغ را در یک لیوان بریزید، اگر تخم مرغ تازه باشد به ته می رود. سپس با دقت شروع به ریختن نمک در لیوان کرد و تماشا کرد که تخم مرغ شروع به شناور شدن کرد.

نتیجه گیری: با افزایش چگالی مایع، نیروی شناوری افزایش می یابد.

در تخم مرغ یک محفظه هوا وجود دارد و هنگامی که چگالی مایع تغییر می کند، تخم مرغ مانند یک زیردریایی به سطح شناور می شود.

پیش از این، قبل از اختراع یخچال، اجداد ما بررسی می کردند که آیا یک تخم مرغ تازه است یا نه: تخم مرغ های تازه در آب تمیز فرو می روند و تخم مرغ های فاسد شناور می شوند، زیرا در داخل آنها گاز تشکیل می شود.

آزمایش شماره 3 "لیموی شناور در آب"(به پیوست 4 مراجعه کنید)

ظرفی را پر از آب کردم و یک لیمو در آن ریختم. لیمو شناور است. و سپس پوست آن را جدا کرد و دوباره داخل آب گذاشت. لیمو غرق شد

نتیجه گیری: لیمو به دلیل افزایش تراکم آن غرق شد. پوست لیمو تراکم کمتری نسبت به داخل آن دارد و حاوی ذرات هوای زیادی است که به لیمو کمک می کند تا روی سطح آب بماند.

آزمایش شماره 4 (به پیوست 5 مراجعه کنید)

1. داخل لیوان آب ریختم و گذاشتم بیرون. وقتی آب یخ زد، شیشه ترکید. یخ تشکیل شده را در ظرفی با آب سرد گذاشتم و دیدم شناور است.

2. در ظرف دیگری آب را کاملا نمک زده و هم بزنید تا کاملا حل شود. یخ گرفتم و آزمایش را تکرار کردم. یخ شناور است، و حتی بهتر از آب شیرین، تقریباً نیمی از آب بیرون زده است.

همه چیز روشن است! یک مکعب یخ شناور می شود زیرا وقتی یخ می زند، یخ منبسط می شود و سبک تر از آب می شود. چگالی آب مایع معمولی کمی بیشتر از چگالی آب منجمد یعنی یخ است با افزایش چگالی مایع، نیروی شناوری افزایش می یابد.

حقایق علمی:

1 واقعیت ارشمیدس: هر جسمی که در مایع غوطه ور شود در معرض نیروی شناوری است.

واقعیت 2 میخائیل لومونوسوف:

یخ غرق نمی شود زیرا چگالی آن 920 کیلوگرم بر مکعب است. و آب که متراکم تر است 1000 کیلوگرم در مکعب است.

نتیجه:

من 2 دلیل برای غرق نشدن یخ پیدا کردم:

1. هر جسمی که در آب غوطه ور شود در معرض نیروی شناوری است.
2. چگالی یخ کمتر از چگالی هر آب است.

بیایید سعی کنیم تصور کنیم که اگر آب خواص معمولی داشته باشد و یخ، همانطور که هر ماده معمولی باید باشد، چگالی تر از آب مایع باشد، جهان چگونه خواهد بود.

در زمستان، یخ متراکم‌تر که از بالا منجمد می‌شد، در آب فرو می‌رفت و به طور مداوم در کف مخزن فرو می‌رفت. در تابستان، یخ که توسط لایه ای از آب سرد محافظت می شد، نمی توانست ذوب شود.

به تدریج، همه دریاچه ها، برکه ها، رودخانه ها، نهرها به طور کامل یخ می زنند و به بلوک های یخی غول پیکر تبدیل می شوند. سرانجام، دریاها و به دنبال آن اقیانوس ها یخ می زدند. دنیای سبز و زیبای ما تبدیل به یک بیابان یخی ممتد می شود که در برخی نقاط با لایه نازکی از آب مذاب پوشیده شده است.یکی از خواص منحصر به فرد آب قابلیت انبساط آن در هنگام یخ زدن است. از این گذشته ، هنگامی که همه مواد منجمد می شوند ، یعنی در هنگام انتقال از حالت مایع به حالت جامد ، فشرده می شوند ، اما آب برعکس منبسط می شود. حجم آن 9 درصد افزایش می یابد. اما زمانی که یخ روی سطح آب تشکیل می شود، با قرار گرفتن بین هوای سرد و آب، از سرد شدن و یخ زدگی بیشتر توده های آبی جلوگیری می کند. این خاصیت غیر معمول آب، اتفاقاً برای تشکیل خاک در کوه ها نیز مهم است. آب باران با وارد شدن به شکاف های کوچکی که همیشه در سنگ ها یافت می شود، هنگام یخ زدن منبسط می شود و سنگ را از بین می برد. بنابراین به تدریج سطح سنگ قابلیت پناه دادن به گیاهانی را پیدا می کند که با ریشه های خود این روند تخریب سنگ ها را کامل کرده و منجر به تشکیل خاک در دامنه کوه می شود.

یخ همیشه روی سطح آب قرار دارد و به عنوان یک عایق حرارتی واقعی عمل می کند. یعنی آب زیر آن به اندازه کافی خنک نمی شود؛ پوشش یخی به طور قابل اعتمادی آن را از یخ زدگی محافظت می کند. به همین دلیل به ندرت اتفاق می افتد که یک بدنه آبی در زمستان تا کف یخ بزند، اگرچه این امر در دمای شدید هوا امکان پذیر است.

افزایش ناگهانی حجم هنگام تبدیل آب به یخ یکی از ویژگی های مهم آب است. این ویژگی اغلب باید در زندگی عملی مورد توجه قرار گیرد. اگر یک بشکه آب را در سرما بگذارید، آب یخ می زند و بشکه می ترکد. به همین دلیل، نباید آب را در رادیاتور ماشینی که در گاراژ سرد پارک شده، رها کنید. در یخبندان های شدید، باید مراقب کوچکترین وقفه در تامین آب گرم از طریق لوله های گرمایش آب باشید: آبی که در لوله بیرونی متوقف شده است می تواند به سرعت یخ بزند و سپس لوله می ترکد.

بله، یک کنده هر چقدر هم که بزرگ باشد در آب فرو نمی رود. راز این پدیده این است که چگالی چوب کمتر از چگالی آب است.

راستی...

درختانی هستند که در آب غرق می شوند! دلیل این امر این است که چگالی آنها بیشتر از چگالی آب است. این درختان را درختان «آهنی» می نامند. «درختان آهنی» به عنوان مثال، طوطی ایرانی، آزوب (درخت آهن گرمسیری آفریقا)، چوب آمازون، آبنوس، گل سرخ یا گل سرخ، کومارو و غیره است. همه این درختان دارای چوب بسیار سخت و متراکم و غنی از روغن هستند؛ پوست این درختان در برابر پوسیدگی مقاوم است. بنابراین، قایق ساخته شده از چنین چوبی بلافاصله به پایین فرو می رود، اما "درختان آهنی" یک ماده عالی برای ساخت مبلمان هستند.

در دریاها و اقیانوس ها گاهی کوه های یخی عظیمی وجود دارد - کوه های یخ. اینها یخچال هایی هستند که از کوه های قطبی به پایین سر خورده اند و توسط جریان و باد به دریای آزاد منتقل شده اند. ارتفاع آنها به 200 متر و حجم آنها به چند میلیون متر مکعب می رسد. نه دهم جرم کل کوه یخ زیر آب پنهان شده است. بنابراین ملاقات با او بسیار خطرناک است. اگر کشتی به موقع متوجه غول یخی متحرک نشود، ممکن است آسیب جدی ببیند یا حتی در اثر برخورد بمیرد.

برنج. 4. نه دهم جرم کوه یخ زیر آب است.

کشتی با اینکه آهنی است، بسیار سنگین است و حتی انسان و بار را حمل می کند، غرق نمی شود. چرا؟ اما کل موضوع این است که در کشتی علاوه بر خدمه، مسافران و بار، هوا نیز وجود دارد. و هوا بسیار سبکتر از آب است. این کشتی به گونه ای طراحی شده است که فضایی درون آن پر از هوا باشد. این است که کشتی را روی سطح آب نگه می دارد و از غرق شدن آن جلوگیری می کند.

زیردریایی ها

زیردریایی ها غرق می شوند و به سطح می آیند و چگالی نسبی آنها تغییر می کند. آنها دارای ظروف بزرگ در کشتی هستند - مخازن بالاست. وقتی هوا از آنها خارج می شود و آب به داخل پمپ می شود، چگالی قایق افزایش می یابد و غرق می شود. برای شناور شدن به سطح، خدمه آب را از مخازن خارج کرده و هوا را به داخل آن پمپ می کنند. تراکم دوباره کاهش می یابد و قایق به سطح شناور می شود. مخازن بالاست بین بدنه بیرونی و دیواره های محفظه داخلی قرار می گیرند. خدمه در محفظه داخلی زندگی و کار می کنند. این زیردریایی مجهز به ملخ های قدرتمندی است که به آن اجازه می دهد در آب حرکت کند. برخی از قایق ها دارای راکتورهای هسته ای هستند.

نتیجه.

بنابراین، پس از انجام کارهای بسیار، متوجه شدم. که فرضیه من در مورد اینکه چرا یخ فرو نمی رود تأیید شد.

دلایل غرق نشدنیخ:

1. یخ متشکل از کریستال های آب است که هوا بین آنها قرار دارد. بنابراین، چگالی یخ کمتر از چگالی آب است.

2. نیروی شناوری از سمت آب روی یخ وارد می شود.

اگر آب یک مایع معمولی بود و نه یک مایع منحصر به فرد، ما از اسکیت لذت نمی بردیم. ما روی شیشه نمی غلتیم، نه؟ اما بسیار نرم تر و جذاب تر از یخ است. اما شیشه ماده ای است که اسکیت روی آن نمی لغزد. اما روی یخ، حتی اگر کیفیت خیلی خوبی نداشته باشد، اسکیت لذت بخش است. خواهید پرسید چرا؟ واقعیت این است که وزن بدن ما به تیغه بسیار نازک اسکیت فشار می آورد که فشار زیادی بر یخ وارد می کند. در نتیجه این فشار از اسکیت، یخ شروع به ذوب شدن می کند و یک لایه نازک از آب تشکیل می دهد که اسکیت کاملاً روی آن می لغزد.

کاربرد

پیوست 1

چرا یخ در آب شناور است؟ چرا آب قادر است این همه مواد مختلف را حل کند؟ چرا حوله برخلاف قوانین گرانش می تواند آب را از پایین به بالا جذب کند؟ اگر فرض کنیم که آب از دنیای دیگری به ما رسیده است، درک این اسرار و اسرار دیگر پیرامون آب کمتر دشوار به نظر می رسد.

اگر آب مانند سایر مواد روی زمین رفتار می کرد، من و شما وجود نداشتیم.

آب چیزی به قدری ساده است که ما به ندرت به آن فکر می کنیم. با این حال، هیچ چیز مرموزتر از آب ساده نیست. بزرگترین راز آب: چرا یخ شناور است. هر ماده دیگری که از حالت مایع به حالت جامد می رسد، با افزایش چگالی ماده سنگین تر می شود.

آب با عبور از حالت مایع به حالت جامد، برعکس، سبک تر می شود.

در ساختار یخ، ذرات آب به شکل بسیار منظمی قرار گرفته اند و فضای خالی زیادی بین ذرات وجود دارد. حجم یخ بیشتر از حجم آبی است که از آن تشکیل شده است. حجم بزرگتر است، چگالی آن کمتر است - یخ سبکتر از آب است، بنابراین در آب فرو نمی رود. بلوک های عظیم یخ و کوه های یخ در آب غرق نمی شوند.

• وقتی یخ دوباره به آب تبدیل می‌شود، ذرات صدها هزار بار فعال‌تر می‌شوند و فضای خالی پر می‌شود.

شکل مایع آب متراکم تر و سنگین تر از حالت جامد است. آب در دمای +4 درجه سانتیگراد سنگین تر می شود. با افزایش دما، ذرات آب فعال تر می شوند که منجر به کاهش چگالی آن می شود.

مهم نیست که زمستان در بالای مخزن چقدر سرد است، دمای آب در پایین ثابت است: +4 درجه سانتیگراد. هر چیزی که در کف زندگی می کند می تواند در زمستان های طولانی زیر یخ زنده بماند. یخ سبکتر از آب است. با پوسته ای که روی سطح آب دارد، از کف مخزن در برابر یخ زدگی محافظت می کند.

یخ و آب.
مشخص است که یک تکه یخ که در یک لیوان آب قرار می گیرد غرق نمی شود. این به این دلیل اتفاق می افتد که یک نیروی شناور روی یخ از آب وارد می شود.

برنج. 4.1. یخ در آب.

همانطور که در شکل دیده میشود. 4.1، نیروی شناوری حاصل نیروهای فشار آب است که بر سطح قسمت غوطه‌ور شده یخ وارد می‌شود (منطقه سایه‌دار در شکل 4.1). یخ روی آب شناور می شود زیرا نیروی گرانش که آن را به پایین می کشد توسط نیروی شناور متعادل می شود.
بیایید تصور کنیم که هیچ یخی در لیوان وجود ندارد و ناحیه سایه دار در شکل با آب پر شده است. در اینجا هیچ رابطی بین آب واقع در این منطقه و خارج از آن وجود نخواهد داشت. با این حال، در این حالت، نیروی شناور و نیروی گرانش وارد بر آب موجود در ناحیه سایه‌دار یکدیگر را متعادل می‌کنند. از آنجایی که در هر دو مورد فوق، نیروی شناور بدون تغییر باقی می ماند، این بدان معنی است که نیروی گرانش وارد بر یک قطعه یخ و روی آب در ناحیه فوق یکسان است. به عبارت دیگر وزن آنها برابر است. همچنین درست است که جرم یخ برابر با جرم آب در ناحیه سایه دار است.
پس از ذوب شدن، یخ به آب با همان جرم تبدیل می شود و حجمی برابر با حجم ناحیه سایه دار را پر می کند. بنابراین سطح آب یک لیوان با آب و یک تکه یخ پس از آب شدن یخ تغییر نمی کند.
حالت مایع و جامد.
اکنون می دانیم که حجم یک تکه یخ بیشتر از حجمی است که آب با جرم مساوی اشغال می کند. نسبت جرم یک ماده به حجمی که آن را اشغال می کند چگالی ماده نامیده می شود. بنابراین، چگالی یخ کمتر از چگالی آب است. مقادیر عددی آنها که در دمای 0 درجه سانتیگراد اندازه گیری می شود عبارتند از: برای آب - 0.9998، برای یخ - 0.917 گرم بر سانتی متر مکعب. هنگامی که گرم می شود، نه تنها یخ، بلکه سایر جامدات نیز به دمای خاصی می رسند که در آن انتقال آنها به حالت مایع آغاز می شود. اگر یک ماده خالص ذوب شود، دمای آن هنگام گرم شدن شروع به افزایش نمی کند تا زمانی که کل جرم آن به حالت مایع تبدیل شود. این دما را نقطه ذوب یک ماده معین می گویند. هنگامی که ذوب کامل شد، حرارت دادن باعث افزایش بیشتر دمای مایع می شود. اگر مایعی خنک شود و دما را تا نقطه ذوب پایین بیاورد، شروع به تبدیل شدن به حالت جامد می کند.
برای اکثر مواد، بر خلاف مورد یخ و آب، چگالی در حالت جامد بیشتر از حالت مایع است. به عنوان مثال، آرگون، معمولاً در حالت گاز، در دمای -189.2 درجه سانتیگراد جامد می شود. چگالی آرگون جامد 1.809 گرم بر سانتی متر مکعب است (در حالت مایع چگالی آرگون 1.38 گرم بر سانتی متر مکعب است). بنابراین، اگر چگالی یک ماده را در حالت جامد در دمای نزدیک به نقطه ذوب با چگالی آن در حالت مایع مقایسه کنیم، معلوم می شود که در مورد آرگون 14.4٪ کاهش می یابد و در مورد سدیم - 2.5٪.
تغییر در چگالی یک ماده هنگام عبور از نقطه ذوب فلزات معمولاً اندک است، به استثنای آلومینیوم و طلا (به ترتیب 0 و 5.3٪). برای همه این مواد، بر خلاف آب، فرآیند انجماد نه در سطح، بلکه از پایین شروع می شود.
با این حال، فلزاتی وجود دارند که چگالی آنها با انتقال به حالت جامد کاهش می یابد. اینها شامل آنتیموان، بیسموت، گالیم است که این کاهش به ترتیب 95/0، 35/3 و 2/3 درصد است. گالیم که نقطه ذوب آن 29.8- درجه سانتیگراد است، همراه با جیوه و سزیم از دسته فلزات قابل ذوب هستند.
تفاوت بین حالت جامد و مایع ماده
در حالت جامد، بر خلاف حالت مایع، مولکول‌های تشکیل‌دهنده این ماده به‌طور منظم چیده شده‌اند.

برنج. 4.2. تفاوت بین حالت مایع و جامد ماده

در شکل شکل 4.2 (سمت راست) نمونه ای از بسته بندی متراکم مولکول ها (به طور معمول در دایره ها نشان داده شده است) را نشان می دهد که مشخصه یک ماده در حالت جامد است. در کنار آن یک ساختار بی نظم مشخصه یک مایع است. در حالت مایع، مولکول ها در فواصل بیشتری از یکدیگر قرار می گیرند، آزادی حرکت بیشتری دارند و در نتیجه ماده ای در حالت مایع به راحتی شکل خود را تغییر می دهد، یعنی خاصیت سیالیت را دارد.
مواد سیال، همانطور که در بالا ذکر شد، با آرایش تصادفی مولکول ها مشخص می شوند، اما همه مواد با چنین ساختاری قادر به جریان نیستند. نمونه اش شیشه است که مولکول های آن به صورت تصادفی چیده شده اند اما سیالیت ندارد.
مواد کریستالی به موادی گفته می شود که مولکول های آن ها به صورت منظم چیده شده اند. در طبیعت موادی وجود دارند که بلورهای آنها ظاهری مشخص دارند. اینها شامل کوارتز و یخ است. فلزات سخت مانند آهن و سرب در طبیعت به صورت بلورهای بزرگ وجود ندارند. با این حال، با مطالعه سطح آنها در زیر میکروسکوپ، می توان خوشه های بلورهای کوچک را تشخیص داد، همانطور که در عکس مشاهده می شود (شکل 4.3).

برنج. 4.3. میکروعکس از سطح آهن.

روش های خاصی وجود دارد که به دست آوردن کریستال های بزرگ از مواد فلزی امکان پذیر است.
اندازه بلورها هرچه که باشد، وجه مشترک همه آنها آرایش منظم مولکول ها است. آنها همچنین با وجود یک نقطه ذوب کاملاً مشخص مشخص می شوند. این بدان معنی است که دمای جسم در حال ذوب هنگام گرم شدن افزایش نمی یابد تا زمانی که به طور کامل ذوب شود. شیشه، بر خلاف مواد کریستالی، نقطه ذوب خاصی ندارد: هنگامی که گرم می شود، به تدریج نرم می شود و به یک مایع معمولی تبدیل می شود. بنابراین، نقطه ذوب مربوط به دمایی است که در آن آرایش منظم مولکول ها از بین می رود و ساختار کریستالی به هم می خورد. در پایان، یکی دیگر از ویژگی‌های جالب شیشه را یادداشت می‌کنیم که با نداشتن ساختار کریستالی توضیح داده می‌شود: با اعمال نیروی کششی طولانی‌مدت به آن، به عنوان مثال، برای مدت 10 سال، متقاعد خواهیم شد که شیشه مانند جریان دارد. یک مایع معمولی
بسته بندی مولکول ها
با استفاده از پرتوهای ایکس و پرتوهای الکترونی، می‌توانیم نحوه چیدمان مولکول‌ها در کریستال را مطالعه کنیم. پرتوهای ایکس طول موج بسیار کوتاه‌تری نسبت به نور مرئی دارند، بنابراین می‌توانند توسط یک ساختار کریستالی منظم هندسی از اتم‌ها یا مولکول‌ها پراش شوند. با ثبت یک الگوی پراش بر روی صفحه عکاسی (شکل 4.4)، می توان آرایش اتم ها را در کریستال تعیین کرد. با استفاده از همین روش برای مایعات، می توانید مطمئن شوید که مولکول های موجود در آنها به طور نامنظم چیده شده اند.

برنج. 4.4. پراش اشعه ایکس توسط ساختار تناوبی.
برنج. 4.5. دو روش برای بسته بندی محکم توپ ها.

مولکول های یک جامد در حالت کریستالی به شیوه ای نسبتاً پیچیده نسبت به یکدیگر مرتب شده اند. ساختار مواد متشکل از اتم‌ها یا مولکول‌های هم نوع نسبتاً ساده به نظر می‌رسد، مانند کریستال آرگون نشان داده شده در شکل. 4.5 (سمت چپ)، که در آن اتم ها به طور معمول با توپ مشخص می شوند. شما می توانید به روش های مختلف مقدار مشخصی از فضا را با توپ ها پر کنید. چنین بسته بندی متراکمی به دلیل وجود نیروهای جاذبه بین مولکولی امکان پذیر است، که تمایل دارند مولکول ها را به گونه ای مرتب کنند که حجمی که آنها اشغال می کنند حداقل باشد. با این حال، در واقعیت ساختار در شکل 1. 4.5 (راست) رخ نمی دهد. توضیح این واقعیت آسان نیست.
از آنجایی که تصور روش‌های مختلف قرار دادن توپ‌ها در فضا بسیار دشوار است، اجازه دهید در نظر بگیریم که چگونه سکه‌ها را می‌توان محکم در یک هواپیما قرار داد.

برنج. 4.6. چیدمان منظم سکه ها در هواپیما.

در شکل 4.6 دو روش از این قبیل را نشان می دهد: در روش اول، هر مولکول با چهار مولکول همسایه در تماس است که مرکز آنها راس مربعی با ضلع d است که d قطر سکه است. با دومی، هر سکه با شش سکه همسایه در تماس است. خطوط نقطه چین در شکل نشان دهنده مساحت اشغال شده توسط یک سکه است. در مورد اول
برابر d 2 است و دوباره این مساحت کوچکتر و برابر √3d 2/2 است.
روش دوم قرار دادن سکه ها به طور قابل توجهی فاصله بین آنها را کاهش می دهد.
مولکول درون یک کریستالهدف از مطالعه کریستال ها تعیین نحوه آرایش مولکول ها در آنها است. بلورهای فلزاتی مانند طلا، نقره و مس ساختاری مشابه بلورهای آرگون دارند. در مورد فلزات، ما باید در مورد آرایش منظم یون ها صحبت کنیم، نه مولکول ها. برای مثال یک اتم مس یک الکترون از دست می دهد و به یون مس با بار منفی تبدیل می شود. الکترون ها آزادانه بین یون ها حرکت می کنند. اگر یون ها به طور معمول به صورت کره نشان داده شوند، ساختاری به دست می آوریم که با بسته بندی نزدیک مشخص می شود. بلورهای فلزاتی مانند سدیم و پتاسیم از نظر ساختار تا حدودی با مس متفاوت هستند. مولکول های CO 2 و ترکیبات آلی، متشکل از اتم های مختلف، را نمی توان به شکل توپ نشان داد. هنگامی که آنها به حالت جامد تبدیل می شوند، ساختار کریستالی بسیار پیچیده ای را تشکیل می دهند.

برنج. 4.7. کریستال یخ خشک (گلوله های بزرگ بزرگ - اتم های کربن)

در شکل شکل 4.7 بلورهای CO2 جامد را نشان می دهد که یخ خشک نامیده می شود. الماس که یک ترکیب شیمیایی نیست، ساختار ویژه ای نیز دارد، زیرا پیوندهای شیمیایی بین اتم های کربن تشکیل می شود.
چگالی مایع.با انتقال به حالت مایع، ساختار مولکولی ماده دچار اختلال می شود. این فرآیند می تواند با کاهش و افزایش حجم اشغال شده توسط یک ماده معین در فضا همراه باشد.


برنج. 4.8. مدل های آجری مربوط به ساختار آب و جامدات.

به عنوان یک تصویر، آنچه در شکل نشان داده شده است را در نظر بگیرید. ساختمان آجری 4.8. بگذارید هر آجر با یک مولکول مطابقت داشته باشد. ساختمان خشتی که در اثر زلزله ویران شده است به انبوهی از آجرها تبدیل می شود که ابعاد آن از اندازه ساختمان کوچکتر است. با این حال، اگر همه آجرها به طور مرتب روی هم چیده شوند، فضایی که آنها اشغال می کنند حتی کمتر می شود. رابطه مشابهی بین چگالی یک ماده در حالت جامد و مایع وجود دارد. کریستال های مس و آرگون را می توان با بسته بندی متراکم آجرهای نشان داده شده مطابقت داد. حالت مایع در آنها با انبوهی از آجر مطابقت دارد. انتقال از جامد به مایع در این شرایط با کاهش چگالی همراه است.
در عین حال، انتقال از یک ساختار کریستالی با فواصل بین مولکولی زیاد (که مربوط به یک ساختمان آجری است) به حالت مایع با افزایش چگالی همراه است. با این حال، در واقعیت، بسیاری از کریستال ها در طول انتقال به حالت مایع، فواصل بین مولکولی زیادی را حفظ می کنند.
آنتیموان، بیسموت، گالیم و سایر فلزات، بر خلاف سدیم و مس، با بسته بندی متراکم مشخص نمی شوند. به دلیل فواصل بین اتمی زیاد در طول انتقال به فاز مایع، چگالی آنها افزایش می یابد.

ساختار یخی.
یک مولکول آب متشکل از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن است که در طرف مقابل آن قرار دارند. برخلاف مولکول دی اکسید کربن که در آن یک اتم کربن و دو اتم اکسیژن در امتداد یک خط مستقیم قرار دارند، در مولکول آب خطوطی که اتم اکسیژن را به هر یک از اتم‌های هیدروژن متصل می‌کنند زاویه 104.5 درجه را با یکدیگر تشکیل می‌دهند. بنابراین، نیروهای برهمکنش بین مولکول های آب وجود دارد که ماهیت الکتریکی دارند. علاوه بر این، به دلیل خواص ویژه اتم هیدروژن، هنگامی که آب متبلور می شود، ساختاری را تشکیل می دهد که در آن هر مولکول به چهار مولکول همسایه متصل است. این ساختار به صورت ساده در شکل 1 ارائه شده است. 4.9. توپ های بزرگ نشان دهنده اتم های اکسیژن هستند، توپ های سیاه کوچک نشان دهنده اتم های هیدروژن هستند.

برنج. 4.9. ساختار کریستالی یخ

در این ساختار، فواصل بین مولکولی بزرگ محقق می شود. بنابراین، هنگامی که یخ ذوب می شود و ساختار فرو می ریزد، حجم هر مولکول کاهش می یابد. این منجر به این واقعیت می شود که چگالی آب بیشتر از چگالی یخ است و یخ می تواند روی آب شناور باشد.

مطالعه 1
چرا تراکم آب در 4 درجه سانتیگراد بالاترین است؟

پیوند هیدروژنی و انبساط حرارتی.وقتی یخ ذوب می شود به آب تبدیل می شود که چگالی آن بیشتر از یخ است. با افزایش بیشتر دمای آب، چگالی آن تا 4 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. اگر در دمای 0 درجه سانتی گراد چگالی آب 0.99984 گرم بر سانتی متر مکعب باشد، در دمای 4 درجه سانتی گراد 0.99997 گرم بر سانتی متر مکعب است. افزایش بیشتر دما باعث کاهش چگالی می شود و در 8 درجه سانتی گراد دوباره همان مقدار در دمای 0 درجه سانتی گراد خواهد بود.

برنج. 4.10. ساختار بلوری یخ (گلوله های بزرگ اتم های اکسیژن هستند).

این پدیده به دلیل وجود ساختار کریستالی در یخ است. در شکل 1 با تمام جزئیات نشان داده شده است. 4.10، جایی که برای وضوح، اتم ها به صورت توپ نشان داده می شوند و پیوندهای شیمیایی با خطوط جامد نشان داده می شوند. یکی از ویژگی های ساختار این است که اتم هیدروژن همیشه بین دو اتم اکسیژن قرار دارد و نزدیک به یکی از آنها قرار دارد. بنابراین، اتم هیدروژن نیروی چسبندگی بین دو مولکول آب همسایه را تقویت می کند. این نیروی چسبنده پیوند هیدروژنی نامیده می شود. از آنجایی که پیوندهای هیدروژنی فقط در جهات خاصی رخ می دهند، آرایش مولکول های آب در یک قطعه یخ نزدیک به چهار وجهی است. هنگامی که یخ ذوب می شود و به آب تبدیل می شود، بخش قابل توجهی از پیوندهای هیدروژنی از بین نمی رود، به همین دلیل ساختاری نزدیک به چهار وجهی با فواصل بین مولکولی بزرگ مشخصه حفظ می شود. با افزایش دما، سرعت حرکت انتقالی و چرخشی مولکول ها افزایش می یابد، در نتیجه پیوندهای هیدروژنی شکسته می شود، فاصله بین مولکولی کاهش می یابد و چگالی آب افزایش می یابد.
اما به موازات این فرآیند، با افزایش دما، انبساط حرارتی آب رخ می دهد که باعث کاهش چگالی آن می شود. تأثیر این دو عامل منجر به این واقعیت می شود که حداکثر چگالی آب در دمای 4 درجه سانتی گراد به دست می آید. در دماهای بالاتر از 4 درجه سانتیگراد، عامل مرتبط با انبساط حرارتی شروع به غالب شدن می کند و چگالی دوباره کاهش می یابد.

مطالعه 2
یخ در دمای پایین یا فشار بالا

انواع یخ.از آنجایی که در طول تبلور آب، فواصل بین مولکولی افزایش می یابد، چگالی یخ کمتر از چگالی آب است. اگر یک قطعه یخ تحت فشار زیاد قرار گیرد، می توان انتظار داشت که فاصله بین مولکولی کاهش یابد. در واقع، با قرار دادن یخ در دمای 0 درجه سانتیگراد در معرض فشار 14 کیلوبار (1 کیلوبار = 987 اتمسفر)، یخ با ساختار کریستالی متفاوتی بدست می آوریم که چگالی آن 1.38 گرم بر سانتی متر مکعب است. اگر آب تحت چنین فشاری در دمای معینی خنک شود، شروع به خنک شدن می کند
متبلور شدن از آنجایی که چگالی چنین یخی از آب بیشتر است، کریستال ها نمی توانند روی سطح آن باقی بمانند و به پایین فرو روند. بنابراین، آب در ظرف متبلور می شود و از پایین شروع می شود. این نوع یخ ice VI نامیده می شود. یخ معمولی - یخ I.
در فشار 25 کیلوبار و دمای 100 درجه سانتیگراد، آب جامد می شود و به یخ VII با چگالی 1.57 گرم بر سانتی متر مکعب تبدیل می شود.

برنج. 4.11. نمودار وضعیت آب

با تغییر دما و فشار می توانید 13 نوع یخ بدست آورید. مناطق تغییر پارامتر در نمودار حالت نشان داده شده است (شکل 4.11). از این نمودار می توانید تعیین کنید که کدام نوع یخ با دما و فشار معین مطابقت دارد. خطوط جامد مربوط به دما و فشاری است که در آن دو ساختار یخی متفاوت با هم وجود دارند. Ice VIII دارای بیشترین چگالی 1.83 گرم بر سانتی متر مکعب در بین انواع یخ است.
در فشار نسبتا کم 3 کیلوبار، یخ II وجود دارد که چگالی آن نیز از آب بیشتر است و 1.15 گرم بر سانتی متر مکعب است. جالب است بدانید که در دمای 120- درجه سانتیگراد ساختار کریستالی از بین می رود و یخ به حالت شیشه ای تبدیل می شود.
در مورد آب و یخ I، نمودار نشان می دهد که با افزایش فشار، نقطه ذوب کاهش می یابد. از آنجایی که چگالی آب بیشتر از چگالی یخ است، انتقال یخ به آب با کاهش حجم همراه است و فشار وارده از بیرون فقط این فرآیند را تسریع می‌کند. برای یخ III، که چگالی آن بیشتر از آب است، وضعیت دقیقا برعکس است - نقطه ذوب آن با افزایش فشار افزایش می یابد.

ما اصلاً از بلوک های یخی شناور در ابتدای بهار تعجب نمی کنیم، زمانی که مخازن شروع به رهایی از "لباس" زمستانی می کنند و زیبایی آب شیرین را به چشم انسان نشان می دهند. ما آنقدر به این پدیده طبیعی عادت کرده ایم که حتی به آن فکر نمی کنیم و تعجب می کنیم که چرا یخ ها آب نمی شوند؟ و اگر در مورد آن فکر کنید، بلافاصله نمونه هایی را به خاطر نمی آورید که در آن مواد جامد مانند یخ در مایعاتی که هنگام ذوب شدن تشکیل می شوند شناور می شوند. می توانید پارافین یا موم را در ظرفی ذوب کنید و تکه ای از همان ماده را فقط در حالت جامد در گودال به دست آمده بیندازید. و ما چه می بینیم؟ موم و پارافین به طور ایمن در مایعی که در نتیجه ذوب آنها تشکیل می شود فرو می روند.

چرا یخ در آب فرو نمی رود؟واقعیت این است که آب در این مثال یک استثنا بسیار نادر و ذاتا منحصر به فرد است. در طبیعت، فقط فلز و چدن رفتاری شبیه به یک تکه یخ شناور در سطح آب دارند.

اگر یخ سنگین‌تر از آب بود، مطمئناً زیر وزن خود فرو می‌رفت و در عین حال آب واقع در قسمت پایین مخزن را به سطح آب می‌برد. در نتیجه، کل مخزن تا ته یخ می زند! با این حال، زمانی که آب یخ می زند، وضعیت کاملا متفاوتی رخ می دهد. تبدیل آب به یخ حجم آن را تقریباً 10 درصد افزایش می دهد و در همین لحظه است چگالی یخ کمتر از خود آب است. به همین دلیل است که یخ روی سطح آب شناور می شود و فرو نمی رود. هنگامی که یک قایق کاغذی که چگالی آن بسیار کمتر از چگالی آب است، روی آب پایین می‌آید، همین موضوع را می‌توان مشاهده کرد. اگر قایق از چوب یا مواد دیگر ساخته شده بود، مطمئناً غرق می شد. اگر شاخص های چگالی را با اعداد مقایسه کنیم، به عنوان مثال، اگر چگالی آب یک باشد، چگالی یخ برابر با 0.91 خواهد بود.

افزایش حجم آب هنگام تبدیل شدن به یخ باید در زندگی روزمره مورد توجه قرار گیرد. کافی است یک بشکه پر از آب را در سرما بگذارید تا مایع یخ زده و ظرف را ترکاند. به همین دلیل است که گذاشتن آب در رادیاتور خودرویی که در سرما پارک شده است توصیه نمی شود. همچنین در یخبندان های شدید باید مراقب وقفه در تامین آب گرمی که از لوله های گرمایش عبور می کند باشید. اگر در لوله بیرونی آب باقی بماند، فورا یخ می زند، که به ناچار منجر به آسیب رساندن به منبع آب می شود.

همانطور که مشخص است، در اقیانوس ها و دریاها در اعماق زیاد، جایی که درجه حرارت زیر صفر است، آب هنوز یخ نمی زند و تبدیل نمی شود. بلوک یخ. توضیح این موضوع بسیار ساده است - لایه های بالایی آب فشار زیادی ایجاد می کنند. به عنوان مثال، یک لایه یک کیلومتری آب با نیروی بیش از صد اتمسفر پرس می کند.

اگر آب یک مایع معمولی بود و نه یک مایع منحصر به فرد، ما از اسکیت لذت نمی بردیم. ما روی شیشه نمی غلتیم، نه؟ اما بسیار نرم تر و جذاب تر از یخ است. اما شیشه ماده ای است که اسکیت روی آن نمی لغزد. اما روی یخ، حتی اگر کیفیت خیلی خوبی نداشته باشد، اسکیت لذت بخش است. خواهید پرسید چرا؟ واقعیت این است که وزن بدن ما به تیغه بسیار نازک اسکیت فشار می آورد که فشار زیادی به آن وارد می کند. یخ. در نتیجه این فشار از اسکیت، یخ شروع به ذوب شدن می کند و یک لایه نازک از آب تشکیل می دهد که اسکیت کاملاً روی آن می لغزد.

چگونه فرآیندهای فیزیکی پیچیده را برای کودک توضیح دهیم؟

اولین چیزی که به ذهن می رسد تراکم است. بله، در واقع، یخ شناور است، زیرا چگالی آن کمتر از آب است. اما چگونه به کودک توضیح دهیم که چگالی چیست؟ هیچ کس موظف نیست برنامه درسی مدرسه را به او بگوید، اما کاملاً امکان پذیر است که آن را به این واقعیت خلاصه کنیم که یخ راحت تر است. به هر حال، در واقع، حجم یکسان آب و یخ وزن های متفاوتی دارد. اگر مشکل را با جزئیات بیشتری مطالعه کنیم، می‌توانیم به غیر از تراکم، چندین دلیل دیگر را نیز بیان کنیم.
یخ در آب فرو نمی رود نه تنها به این دلیل که چگالی کاهش یافته آن مانع از فرو رفتن آن در آب می شود. دلیل آن نیز یخ زدن حباب های کوچک هوا در یخ است. آنها همچنین چگالی را کاهش می دهند، و بنابراین، به طور کلی، معلوم می شود که وزن صفحه یخ حتی کمتر می شود. وقتی یخ منبسط می‌شود، هوای بیشتری وارد نمی‌کند، اما تمام حباب‌هایی که از قبل در این لایه هستند، تا زمانی که یخ شروع به ذوب یا تصعید کند، در آنجا باقی می‌مانند.

انجام آزمایشی بر روی نیروی انبساط آب

اما چگونه می توانید ثابت کنید که یخ در واقع در حال انبساط است؟ به هر حال، آب نیز می تواند منبسط شود، پس چگونه می توان این را در شرایط مصنوعی ثابت کرد؟ می توانید یک آزمایش جالب و بسیار ساده انجام دهید. برای این کار به یک لیوان پلاستیکی یا مقوایی و آب نیاز دارید. لازم نیست مقدار آن زیاد باشد، لازم نیست لیوان را تا لبه پر کنید. همچنین، در حالت ایده آل شما به دمایی در حدود 8- درجه یا کمتر نیاز دارید. اگر دما خیلی بالا باشد، تجربه به طور غیر منطقی طولانی خواهد بود.
بنابراین، آب داخل آن ریخته می شود، باید منتظر بمانیم تا یخ تشکیل شود. از آنجایی که ما دمای بهینه را انتخاب کرده ایم که در آن حجم کمی از مایع ظرف دو تا سه ساعت به یخ تبدیل شود، می توانید با خیال راحت به خانه بروید و منتظر بمانید. باید صبر کنید تا تمام آب به یخ تبدیل شود. بعد از مدتی به نتیجه نگاه می کنیم. فنجانی که در اثر یخ تغییر شکل داده یا پاره شده باشد تضمین شده است. در دمای پایین تر، اثرات چشمگیرتر به نظر می رسند و خود آزمایش زمان کمتری می برد.

پیامدهای منفی

به نظر می رسد که یک آزمایش ساده تأیید می کند که بلوک های یخ واقعاً با کاهش دما منبسط می شوند و حجم آب به راحتی هنگام یخ زدن افزایش می یابد. به عنوان یک قاعده، این ویژگی برای افراد فراموشکار مشکلات زیادی ایجاد می کند: یک بطری شامپاین که برای مدت طولانی در بالکن در شب سال نو باقی مانده است، به دلیل قرار گرفتن در معرض یخ می شکند. از آنجایی که نیروی انبساط بسیار زیاد است، به هیچ وجه نمی توان آن را تحت تأثیر قرار داد. خوب، در مورد شناوری بلوک های یخ، در اینجا چیزی برای اثبات وجود ندارد. کنجکاوترین افراد به راحتی می توانند آزمایش مشابهی را در بهار یا پاییز به تنهایی انجام دهند و سعی کنند تکه های یخ را در یک گودال بزرگ غرق کنند.

هیچ کس شک ندارد که یخ روی آب شناور است. همه این را صدها بار هم در برکه و هم روی رودخانه دیده اند.

اما چند نفر درباره این سوال فکر کرده اند: آیا همه جامدات مانند یخ رفتار می کنند، یعنی در مایعاتی که هنگام ذوب شدن تشکیل می شوند شناور هستند؟

پارافین یا موم را در یک شیشه ذوب کنید و یک تکه دیگر از همان ماده جامد را داخل این مایع بیندازید، بلافاصله فرو می‌رود. در مورد سرب و قلع و بسیاری از مواد دیگر نیز همین اتفاق خواهد افتاد. به نظر می رسد که، به عنوان یک قاعده، جامدات همیشه در مایعاتی که هنگام ذوب شدن تشکیل می شوند، فرو می روند.

در اغلب موارد با آب، ما آنقدر به پدیده مخالف عادت کرده ایم که اغلب این خاصیت را که مشخصه سایر مواد است، فراموش می کنیم. لازم به یادآوری است که آب در این زمینه استثنایی نادر است. فقط بیسموت فلزی و چدن مانند آب رفتار می کنند.

اگر یخ سنگین تر از آب بود و روی سطح خود نمی ماند، اما غرق می شد، حتی در مخازن عمیق نیز آب در زمستان کاملاً یخ می زد. در واقع، ریزش یخ به کف حوض، لایه‌های پایینی آب را به سمت بالا جابجا می‌کند و این اتفاق می‌افتد تا زمانی که تمام آب به یخ تبدیل شود.

با این حال، زمانی که آب یخ می زند، برعکس اتفاق می افتد. در لحظه ای که آب به یخ تبدیل می شود، حجم آن به طور ناگهانی حدود 10 درصد افزایش می یابد و باعث می شود یخ چگالی کمتری نسبت به آب داشته باشد. به همین دلیل است که در آب شناور است، همانطور که هر جسمی در مایعی با چگالی بالا شناور است: یک میخ آهنی در جیوه، یک چوب پنبه در روغن و غیره. اگر چگالی آب را برابر با واحد فرض کنیم، چگالی آب یخ تنها 0.91 خواهد بود. این شکل به ما امکان می دهد ضخامت شناور یخ شناور روی آب را دریابیم. اگر ارتفاع یخ بالای آب مثلاً 2 سانتی متر باشد، می توان نتیجه گرفت که لایه زیر آب یخ 9 برابر ضخیم تر است، یعنی برابر با 18 سانتی متر و کل یخ 20 سانتی متر است. سانتی متر ضخامت

در دریاها و اقیانوس ها گاهی کوه های یخی عظیمی وجود دارد - کوه های یخ (شکل 4). اینها یخچال هایی هستند که از کوه های قطبی به پایین سر خورده اند و توسط جریان و باد به دریای آزاد منتقل شده اند. ارتفاع آنها به 200 متر و حجم آنها به چند میلیون متر مکعب می رسد. نه دهم جرم کل کوه یخ زیر آب پنهان شده است. بنابراین ملاقات با او بسیار خطرناک است. اگر کشتی به موقع متوجه غول یخی متحرک نشود، ممکن است آسیب جدی ببیند یا حتی در اثر برخورد بمیرد.

افزایش ناگهانی حجم در هنگام تبدیل آب مایع به یخ یکی از ویژگی های مهم آب است. این ویژگی اغلب باید در زندگی عملی مورد توجه قرار گیرد. اگر یک بشکه آب را در سرما بگذارید، آب یخ می زند و بشکه می ترکد. به همین دلیل، نباید آب را در رادیاتور ماشینی که در گاراژ سرد پارک شده، رها کنید. در یخبندان های شدید، باید مراقب کوچکترین وقفه در تامین آب گرم از طریق لوله های گرمایش آب باشید: آبی که در لوله بیرونی متوقف شده است می تواند به سرعت یخ بزند و سپس لوله می ترکد.

یخ زدن در شکاف های سنگی، آب اغلب باعث ریزش کوه می شود.

اجازه دهید اکنون آزمایشی را در نظر بگیریم که مستقیماً با انبساط آب در هنگام گرم شدن مرتبط است. اجرای این آزمایش به تجهیزات خاصی نیاز دارد و بعید است که هر خواننده ای بتواند آن را در خانه تکثیر کند. بله، این یک ضرورت نیست. تصور این تجربه آسان است و ما سعی خواهیم کرد نتایج آن را با استفاده از مثال هایی که برای همه آشنا هستند تأیید کنیم.

بیایید یک فلز بسیار قوی، ترجیحا یک استوانه فولادی (شکل 5) برداریم، مقداری گلوله را در ته آن بریزیم، آن را با آب پر کنید، درب آن را با پیچ و مهره محکم کنید و شروع به چرخاندن پیچ کنید. از آنجایی که آب خیلی کم فشرده می شود، برای مدت طولانی نیازی به چرخاندن پیچ نخواهید داشت. تنها پس از چند دور، فشار داخل سیلندر تا صدها اتمسفر افزایش می یابد. اگر اکنون سیلندر را حتی 2-3 درجه زیر صفر خنک کنید، آب داخل آن یخ نمی‌زند. اما چگونه می توان از این موضوع مطمئن بود؟ اگر سیلندر را باز کنیم، در این دما و فشار اتمسفر، آب فوراً به یخ تبدیل می‌شود و وقتی تحت فشار بوده، نمی‌دانیم که مایع بوده یا جامد. گلوله های پاشیده شده در اینجا به ما کمک می کند. وقتی سیلندر خنک شد آن را وارونه کنید. اگر آب یخ زده باشد، گلوله در پایین قرار می گیرد و اگر یخ زده نباشد، گلوله در درب جمع می شود. بیایید پیچ ​​را باز کنیم. فشار کاهش می یابد و آب قطعا یخ می زند. پس از برداشتن درب، مطمئن می شویم که تمام شات نزدیک درب جمع شده است. این بدان معنی است که آب تحت فشار در دمای زیر صفر منجمد نمی شود.

تجربه نشان می دهد که نقطه انجماد آب با افزایش فشار تقریباً یک درجه به ازای هر 130 اتمسفر کاهش می یابد.

اگر ما شروع به استناد کردن استدلال خود بر اساس مشاهدات بسیاری از مواد دیگر می کردیم، باید به نتیجه معکوس می رسیدیم. فشار معمولاً به جامد شدن مایعات کمک می کند: تحت فشار، مایعات در دمای بالاتری منجمد می شوند و این تعجب آور نیست اگر به یاد داشته باشید که بیشتر مواد هنگام جامد شدن حجمشان کاهش می یابد. فشار باعث کاهش حجم می شود و این امر انتقال مایع به حالت جامد را تسهیل می کند. همانطور که قبلاً می دانیم وقتی آب سخت می شود حجم آن کاهش نمی یابد، بلکه برعکس منبسط می شود. بنابراین، فشار، مانع از انبساط آب، نقطه انجماد آن را کاهش می دهد.

مشخص است که در اقیانوس‌ها در اعماق زیاد دمای آب زیر صفر درجه است، اما آب در این اعماق یخ نمی‌زند. این با فشار ایجاد شده توسط لایه های بالایی آب توضیح داده می شود. لایه ای از آب به ضخامت یک کیلومتر با نیرویی در حدود صد اتمسفر پرس می کند.

اگر آب یک مایع معمولی بود، به سختی لذت اسکیت روی یخ را تجربه می کردیم. این مانند غلتیدن روی شیشه کاملاً صاف خواهد بود. اسکیت روی شیشه لیز نمی خورد. موضوع روی یخ کاملاً متفاوت است. اسکیت روی یخ بسیار آسان است. چرا؟ زیر وزن بدن ما، تیغه نازک اسکیت فشار بسیار قوی روی یخ ایجاد می کند و یخ زیر اسکیت ذوب می شود. یک لایه نازک از آب تشکیل می شود که به عنوان یک روان کننده عالی عمل می کند.

بلوک‌های یخی قطبی و کوه‌های یخ در اقیانوس حرکت می‌کنند و حتی در نوشیدنی‌ها یخ هرگز به ته نمی‌رود. می توان نتیجه گرفت که یخ در آب فرو نمی رود. چرا؟ اگر در مورد آن فکر کنید، این سوال ممکن است کمی عجیب به نظر برسد، زیرا یخ جامد است و - به طور شهودی - باید سنگین تر از مایع باشد. اگرچه این جمله برای اکثر مواد صادق است، اما آب از این قاعده مستثنی است. آنچه آب و یخ را متمایز می کند پیوندهای هیدروژنی است که باعث می شود یخ در حالت جامد سبک تر از حالت مایع باشد.

سوال علمی: چرا یخ در آب فرو نمی رود؟

بیایید تصور کنیم که در کلاس سوم درسی به نام "دنیای اطراف ما" هستیم. معلم از بچه ها می پرسد: «چرا یخ در آب فرو نمی رود؟» و بچه ها بدون دانش عمیق فیزیک شروع به استدلال می کنند. "شاید این جادو است؟" - یکی از بچه ها می گوید.

در واقع، یخ بسیار غیر معمول است. عملا هیچ ماده طبیعی دیگری وجود ندارد که در حالت جامد بتواند روی سطح مایع شناور باشد. این یکی از ویژگی‌هایی است که آب را به یک ماده غیرعادی تبدیل می‌کند و صادقانه بگویم، این چیزی است که مسیر تکامل سیاره‌ای را تغییر می‌دهد.

برخی از سیارات وجود دارند که حاوی مقادیر زیادی هیدروکربن های مایع مانند آمونیاک هستند - با این حال، هنگامی که این ماده یخ می زند، به پایین فرو می رود. علت غرق نشدن یخ در آب این است که وقتی آب یخ می زند منبسط می شود و در عین حال از چگالی آن کاسته می شود. جالب توجه است، گسترش یخ می تواند سنگ ها را بشکند - فرآیند یخبندان آب بسیار غیر معمول است.

از نظر علمی، فرآیند انجماد چرخه‌های هوازدگی سریع را ایجاد می‌کند و مواد شیمیایی خاصی که روی سطح آزاد می‌شوند می‌توانند مواد معدنی را حل کنند. به طور کلی، انجماد آب شامل فرآیندها و احتمالاتی است که خواص فیزیکی سایر مایعات نشان نمی دهد.

چگالی یخ و آب

بنابراین، پاسخ به این سوال که چرا یخ در آب فرو نمی‌رود بلکه روی سطح شناور می‌شود این است که چگالی کمتری نسبت به مایع دارد - اما این یک پاسخ سطح اول است. برای درک بهتر، باید بدانید چرا یخ چگالی کم دارد، چرا چیزها در وهله اول شناور می شوند و چگالی چگونه باعث شناور شدن می شود.

بیایید ارشمیدس نابغه یونانی را به یاد بیاوریم که متوجه شد پس از فرو بردن یک جسم خاص در آب، حجم آب به اندازه حجم جسم غوطه ور شده افزایش می یابد. به عبارت دیگر، اگر یک ظرف عمیق را روی سطح آب قرار دهید و سپس یک جسم سنگین را در آن قرار دهید، حجم آبی که در ظرف می ریزد دقیقاً برابر با حجم جسم خواهد بود. فرقی نمی کند که جسم به طور کامل یا جزئی غوطه ور باشد.

خواص آب

آب ماده شگفت انگیزی است که عمدتاً زندگی روی زمین را تغذیه می کند، زیرا هر موجود زنده ای به آن نیاز دارد. یکی از مهمترین خواص آب این است که در دمای 4 درجه سانتیگراد در بالاترین چگالی خود قرار دارد. بنابراین، آب گرم یا یخ چگالی کمتری نسبت به آب سرد دارد. مواد با چگالی کمتر بر روی مواد چگال تر شناور می شوند.

به عنوان مثال، هنگام تهیه یک سالاد، ممکن است متوجه شوید که روغن روی سطح سرکه است - این را می توان با این واقعیت توضیح داد که چگالی کمتری دارد. همین قانون برای توضیح اینکه چرا یخ در آب فرو نمی رود، بلکه در بنزین و نفت سفید فرو می رود نیز معتبر است. فقط این دو ماده چگالی کمتری نسبت به یخ دارند. بنابراین، اگر یک توپ بادی را داخل استخر بیندازید، روی سطح شناور می شود، اما اگر یک سنگ را در آب بیندازید، به ته می رود.

وقتی آب یخ می زند چه تغییراتی در آن اتفاق می افتد؟

دلیل غرق نشدن یخ در آب به دلیل پیوندهای هیدروژنی است که با یخ زدن آب تغییر می کند. همانطور که می دانید آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. آنها توسط پیوندهای کووالانسی که فوق العاده قوی هستند به هم متصل می شوند. با این حال، نوع دیگری از پیوند که بین مولکول های مختلف تشکیل می شود، به نام پیوند هیدروژنی، ضعیف تر است. این پیوندها به این دلیل تشکیل می شوند که اتم های هیدروژن با بار مثبت به اتم های اکسیژن با بار منفی مولکول های آب مجاور جذب می شوند.

وقتی آب گرم است، مولکول‌ها بسیار فعال هستند، زیاد حرکت می‌کنند و به سرعت با دیگر مولکول‌های آب پیوند ایجاد می‌کنند و می‌شکنند. آنها انرژی لازم برای نزدیک شدن به یکدیگر و حرکت سریع را دارند. پس چرا یخ در آب فرو نمی رود؟ شیمی پاسخ را پنهان می کند.

فیزیک و شیمی یخ

با کاهش دمای آب به زیر 4 درجه سانتی گراد، انرژی جنبشی مایع کاهش می یابد، بنابراین مولکول ها دیگر حرکت نمی کنند. آنها انرژی لازم برای حرکت و شکستن و تشکیل پیوندها را به راحتی در دماهای بالا ندارند. در عوض، پیوندهای هیدروژنی بیشتری با مولکول های آب دیگر تشکیل می دهند تا ساختارهای شبکه ای شش ضلعی را تشکیل دهند.

آنها این ساختارها را برای دور نگه داشتن مولکول های اکسیژن با بار منفی از یکدیگر تشکیل می دهند. در وسط شش ضلعی هایی که در نتیجه فعالیت مولکول ها به وجود آمده اند، جای خالی زیادی وجود دارد.

غرق شدن یخ در آب - دلایل

چگالی یخ در واقع 9 درصد کمتر از آب مایع است. بنابراین، یخ فضای بیشتری را نسبت به آب اشغال می کند. عملاً این منطقی است زیرا یخ منبسط می شود. به همین دلیل است که منجمد کردن یک بطری شیشه ای آب توصیه نمی شود - آب یخ زده می تواند ترک های بزرگی را حتی در بتن ایجاد کند. اگر یک بطری لیتری یخ و یک بطری لیتری آب دارید، بطری آب یخ سبک تر خواهد بود. مولکول ها در این نقطه بیشتر از زمانی که ماده در حالت مایع است از هم فاصله دارند. به همین دلیل است که یخ در آب فرو نمی‌رود.

با ذوب شدن یخ، ساختار کریستالی پایدار شکسته شده و متراکم تر می شود. هنگامی که آب تا 4 درجه سانتیگراد گرم می شود، انرژی می گیرد و مولکول ها سریعتر و بیشتر حرکت می کنند. به همین دلیل است که آب گرم فضای بیشتری نسبت به آب سرد می گیرد و روی آب سرد شناور می شود - چگالی کمتری دارد. به یاد داشته باشید، زمانی که در دریاچه هستید، هنگام شنا، لایه بالایی آب همیشه دلپذیر و گرم است، اما وقتی پاهای خود را عمیق تر می کنید، سردی لایه پایینی را احساس می کنید.

اهمیت فرآیند انجماد آب در عملکرد سیاره

با وجود این واقعیت که سوال "چرا یخ در آب فرو نمی رود؟" برای درجه 3، بسیار مهم است که بفهمیم چرا این فرآیند رخ می دهد و چه معنایی برای سیاره دارد. بنابراین، شناوری یخ پیامدهای مهمی برای حیات روی زمین دارد. دریاچه‌ها در فصل زمستان در مکان‌های سرد یخ می‌زنند و به ماهی‌ها و دیگر آبزیان اجازه می‌دهند زیر پوشش یخی زنده بمانند. اگر کف آن یخ زده بود، احتمال زیادی وجود دارد که کل دریاچه یخ زده باشد.

در چنین شرایطی، حتی یک موجود زنده زنده نمی ماند.

اگر چگالی یخ بیشتر از چگالی آب بود، یخ در اقیانوس‌ها غرق می‌شد و کلاهک‌های یخی که در این حالت در پایین قرار می‌گرفتند، اجازه نمی‌دادند کسی در آنجا زندگی کند. ته اقیانوس پر از یخ خواهد بود - و همه آن به چه چیزی تبدیل می شود؟ از جمله موارد دیگر، یخ قطبی به این دلیل اهمیت دارد که نور را منعکس می کند و از گرم شدن بیش از حد سیاره زمین جلوگیری می کند.