✅Особливості теплового розширення води

Як і інші тіла, вода розширюється при нагріванні і стискається при охолодженні. Однак по цій властивості вона сильно відрізняється від всіх інших тіл і речовин.

При охолодженні вода стискається, але при наближенні до температури + 4°С її стиск сповільнюється, а потім зупиняється. При температурі + 4 ° С стиснення води змінюється розширенням, яке відбувається до температури її замерзання. Перетворюючись на лід, вода розширюється ще сильніше. Отже, вода при температурі + 4 ° С має найбільшу щільність, а потім при подальшому охолодженні щільність її зменшується. Найнижча щільність води буває при 0 ° С, тобто при перетворенні її в лід. Вода при найбільшої щільності (4 ° С) найважча.

Особливість теплового розширення води має велике значення в природі. Завдяки тому що вода при температурі + 4 ° С найбільш важка, з настанням холодних днів, охолоджуючись до цієї температури, вона опускається в глибину водойми, а більш тепла вода підіймається вгору, де охолоджується і знову опускається вниз. Перемішування води (конвекція) відбувається до тих пір, поки температура всієї води у водоймі не знизиться до + 4 ° С.

Далі вода в поверхневому шарі охолоджується до + 3 ° С, + 1 ° С, але при цій температурі вона має меншу щільність і не опускається вниз. Потім самий верхній шар води, охолоджуючись, перетворюється на лід, щільність якого менше щільності води.

Якби вода стискалася при охолодженні так само, як і інші тіла, то найважчою була б вода при температурі близько 0 ° С, а лід був би важче води. Утворюючись взимку на поверхні водойми, важкий лід опускався б на дно і в перші ж місяці зими всі водойми були б повністю заповнені ім. Життя у водоймах стала б неможливою.

Підземні води, не стикаються з морозним повітрям, не замерзають. Тому ключі і джерела взимку стримують зниження температури в наземних водоймах.

Таким чином, завдяки особливостям теплового розширення води температура її у верхніх шарах водойм не буває нижче + 1 ° С, а в глибоких шарах – нижче + 4 ° С. Тому протягом довгої зими у водоймах під льодом багато їх мешканців продовжують активне життя, а рибалки любителі мають можливість займатися зимовою риболовлею.

Разом з тим життя мешканців водойм пов’язана не тільки з температурою води. З появою крижаного покриву вода відділяється від атмосферного повітря і створюються умови, що ускладнюють дихання багатьох водних тварин. З нестачу розчиненого у воді кисню взимку в ставках, озерах і навіть у великих річках іноді відбуваються катастрофічні явища – замори, що супроводжуються масовою загибеллю риб. З метою їх запобігання за допомогою спеціальних приладів в льоду водойм роблять ополонці.

Особливості теплового розширення води враховують при її використанні в промисловості і в побуті: водопровідні труби і труби водяного опалення прокладають у землі на такій глибині, де вода в них не може перетворюватися на лід.

Питання для самоперевірки

• Які особливості теплового розширення води?
• Чому вода при температурі + 4 ° С має найбільшу щільність?
• Чому вода у водоймах взимку не промерзає до дна?
• Яке значення особливостей теплового розширення води в житті організмів, що живуть у водоймах?

Почему зимой вода в водоемах не промерзает до дна?

Оказывается, когда температура воды начинает понижаться, в замкнутых водоемах происходят очень интересные вещи. Пресная вода, по причине уникальной молекулярной структуры, обладает максимальной плотностью при температуре +4?С. И когда температура воды продолжает понижаться, в озере происходит разделение слоев с разной температурой, образуется сезонный термоклин.
Вода с температурой +1-2°С всегда легче, чем слой воды с температурой +4°С, который расположен на дне. Из-за слабой циркуляции водных масс (а мы помним, что это не река, а именно глубокое озеро) активного перемешивания и выравнивания температуры не происходит. По этой причине вода с температурой около +4 градусов всегда находится в нижней части водоема. Постепенно нарастающий слой льда и более холодная вода в верхней части водоема не дают промерзнуть озеру до дна. Рыбы и другие водные обитатели продолжают жить в озере, не опасаясь превратиться в кусок льда.

Здравствуйте!
Температура наибольшей плотности воды: +4 С см: http://news.mail.ru/society/2815577/
Это свойство воды является принципиально важным для выживания «живности» многих водоёмов. Когда начинается понижение температуры воздуха (и соответственно – воды) осенью и в предзимье, сначала при температуре выше +4 С более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз (как более тяжёлая), а тёплая, как более лёгкая, поднимается вверх и идёт обычное вертикальное перемешивание воды. Но как только во всём водоёме по вертикали устанавливается Т= +4 С, процесс вертикальной циркуляции останавливается, поскольку с поверхности вода уже при +3С становится легче той, что находится ниже (при +4С) и турбулентная теплопередача “холода” по вертикали резко сокращается. В итоге с поверхности вода даже начинает замерзать, потом устанавливается и ледяной покров, но при этом в зимний период передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается, так как и сам слой льда сверху, и тем более, слой выпавшего на лёд сверху снега обладают определё1нными теплоизоляционными свойствами! Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды при Т=+4С – а это и есть температура выживания в водоёме речной, болотной, озёрной и пр. живности. Если бы не это интересное и важное свойство воды (Мах плотность при +4С), то водоёмы на суше все промерзали бы до дна каждую зиму, и жизнь в них не была бы такой обильной!
Всего доброго!

В мелких прудах при очень сильном морозе, бывает, промерзает. Но обычно – нет. Дело в том, что молекулы H2O в составе льда расположены упорядоченно, в кристаллической решётке, и зазоры между ними больше, чем между молекулами жидкой воды (вода в целом устроена так, что самая высокая её плотность достигается при температуре около +3,7 по Цельсию). А чем меньше молекул/вещества на определённый объём, тем меньше плотность. В итоге лёд обладает меньшей плотностью, чем вода, поэтому он легче и не тонет. Водоём промерзает на некоторую глубину, но дальше мороз “не достаёт”. Подо льдом обычно остаётся небольшая прослойка воздуха (а воздух плохо проводит тепло – когда бабушки кутают малышей в сто одёжек, как капусту, между слоями одежды тоже остаются прослойки воздуха). Да и сами лёд со снегом тоже обладает некоторыми теплоизолирующими свойствами – не зря птицы вроде куропаток зимой ночуют в снегу, а эскимосы строят ледяные иглу.
Если бы лёд намерзал и затем тонул, то на поверхности озера или реки образовывались и тонули бы всё новые слои, и в конце концов водоёмы бы промерзали до дна. Местным обитателям пришлось бы приспособить жизненный цикл к смене сезонов – стать эфемерными (летом плавай, зимой закапывайся в ил/откладывай морозостойкую икру и помирай), либо научиться переживать заморозку и оттаивание.
В реках, кстати, есть дополнительное препятствие – течение. Из-за него вода, возможно, быстрее испаряется, получаются брызги, образуются сосульки на ветках и снежная бахрома. Но сама стремнина замерзать не будет – да ещё и лёд станет подтачивать. Насколько я понимаю, это происходит потому, что чем быстрее течёт вода, тем сложнее ей перенять температуру окружающей среды. Из-за того же эффекта летом в быстрой речке вода будет холоднее, чем в затоне или стоячем болотце, так как из-за течения вода не будет успевать хорошенько прогреться.

Практически каждый из нас задавался вопросам, почему даже в условиях суровых зим водоемы никогда не промерзают полностью. Оказывается, воду зимой в реках и озерах “согревает”, как ни странно, лед, сообщил телеканал “360”. Он не пропускает холод и держит температуру в проруби в районе +4 градусов.
Именно такие температурные показатели воды важны для обитателей озер, рек и прудов. Рыбы “зимуют” на дне, где теплее. Кроме того, при +4 вода приобретает свою наибольшую плотность. Чем она холоднее, тем легче.
Осенью и в предзимье, когда температура воды выше +4 градусов, более холодная вода опускается вниз, а теплая поднимается наверх. Идет так называемое вертикальное перемешивание. Как только температура воздуха и воды начинает понижаться, перемешивание замедляется. Верхний слой становится холоднее, и на поверхности начинает появляться защитная ледяная корка, которая не пускает холодный воздух вниз.
По той же причине не замерзают океаны и моря. Дело еще и в соли, а также в их огромной площади и течениях. Исключение составляет Северный Ледовитый океан. Он оправдывает свое название и замерзает почти полностью. В некоторых местах толщина его льда доходит до пятидесяти метров. Ходят по нему только ледоколы.
Чтобы море полностью замерзло, нужны экстремальные условия – морозы около -30 градусов, которые бы стояли несколько месяцев. Последний раз такую картину наблюдали одесситы в 2012 году. Впервые за 30 лет черноморский курорт превратился в черноморский ледник.
Толщина льда водоемов в московском регионе сейчас составляет около 30 сантиметров. Как сообщает региональное МЧС, сплошной ледовый покров сохраняется на большинстве из них. Но все же осторожность не повредит, ведь лед – субстанция коварная.
Между тем, по мнению многих ученых, человечеству стоит ждать не глобального потепления, а ледникового периода. Метеорологи говорят о потеплении в связи с вмешательство человека в окружающую среду. Однако климатологи связывают изменения температуры с активностью Солнца. Читать далее>>

Даю точный ответ.
Глубокие водоемы зимой не промерзают до дна. Почему это происходит? Ведь обычно при охлаждении вещества становятся тяжелее. Если бы это происходило и с водой, то лед опускался бы на дно водоема, и постепенно вся вода стала бы твердой. А кристаллическая вода (лед) плавает на поверхности в виде тонкой наледи, толстых льдин или громадных айсбергов: ведь лед легче жидкой воды.
Почему же лед плавает на поверхности воды? К этому все так привыкли, что перестали считать такое поведение воды удивительным. А ведь веществ, которые в твердом состоянии легче, чем жидкие, очень мало.
Причина необычных свойств кристаллической воды – особая, “ажурная”, структура льда, в которой, как в кружевах, много пустых мест; вот почему лед такой легкий.
При плавлении льда молекулы воды немного сближаются, и плотность жидкой воды при температуре плавления становится чуть-чуть выше, чем у льда. А наибольшее значение плотность воды приобретает при 4 °С, когда ледяные “кружева” полностью разрушаются.
Именно такую температуру зимой имеет вода у дна непромерзающих пресноводных водоемов. Благодаря этому выживают в самые жестокие холода плавучие обитатели рек, озер и прудов.

Даже в самые лютые морозы реки и озера не промерзают до дна. Сверху их поверхность покрывается слоем льда, толщина которого, как правило, не превышает нескольких десятков сантиметров. Все зависит от погодных условий, которые, на данный момент, сложились в данном регионе. Но даже при чрезвычайно низких температурах, которые имеют место в Восточной Сибири, реки не промерзают до дна. Почему так происходит?
Вы, наверняка, замечали, что лед не тонет, и всегда находится на поверхности воды. Это связано с тем, что при замерзании и испарении она теряет свой вес. Самой тяжелой вода становится при температуре четыре градуса тепла. Теперь давайте посмотрим, какие процессы происходят в озере при отрицательной температуре окружающего воздуха.
А происходит следующее. Поверхностные слои воды охлаждаются до температуры плюс четыре градуса, тяжелеют, и опускаются вниз. При этом они вытесняют более теплые, нижние слои, которые поднимаются вверх. После этого процесс повторяется снова. Как только температура воды в озере выровняется, и достигнет четырех градусов, процесс естественной конвекции прекратится, и на поверхности озера появится слой льда. Благодаря ледяному «одеялу», охлаждение воды прекратится, а значит, прекратится и процесс образования льда. Несмотря на холод, жизнь в озере продолжается. Рыба, и водные растения, прекрасно себя чувствуют, чем и пользуются любители зимней рыбалки,
В море вода соленая. Ее точка замерзания значительно ниже нуля градусов. В зависимости от содержания в воде соли, она может находиться в интервале от минус двух, до минус восемнадцати градусов. Именно по этой причине не замерзает Черное море, а также Мировой океан. Хотя, случай замерзания Черного моря имел место. Но столь низкая температура окружающего воздуха в этих местах, это, скорее всего, исключение из общих правил.

Рассмотрим простейшую ситуацию – замерзание озера. Поскольку мороз не может воздействовать на воду снизу (со дна) и сбоку (с берегов), рассмотреть нужно только охлаждение сверху (холодным воздухом). Допустим, температура воды была +20 градусов. Теперь на поверхность озера пришёл холодный воздух. Самый ближайший к воде слой воздуха забирает тепло от воды и чуть-чуть подогревается. Тёплый воздух легче холодного (имеет меньшую плотность), поэтому он поднимается вверх, а на его место опускается холодный.
Но и вода (ближайший к поверхности слой) отдав свое тепло, охлаждается. Плотность холодной воды больше, чем тёплой, поэтому охладившаяся вода опускается вниз, а на её место поднимается более тёплая вода. Такой процесс продолжается до тех пор, пока вода (вся вода в озере, до самого дна) остынет до температуры +4°С, (если точнее, то до +3,98°С). При этой температуре плотность воды – максимальна (причину этого рассматривать не будем, примем это как данность, пусть считается, что бог так установил). Что же дальше? Следующая приповерхностная порция воды отдав своё тепло воздуху, охладилась ниже +4°С, пусть например до +3°С. Плотность её меньше, чем у основной массы воды (мы договорились, что вся вода в озере остыла до +4°С). Поэтому этот остывший слой воды не будет опускаться, а останется на поверхности. Далее он остынет до +2, +1 и до 0°С. Из-за этого вода становится ещё легче, и перемешиваться с более глубоколежащими слоями не будет. Теперь этот верхний слой воды замёрзнет, превратится в лёд. Теплопроводность льда выше, чем теплопроводность воды, поэтому образовавшийся слой льда почти не влияет на процесс дальнейшего охлаждения.
А промерзает водоём до дна или нет, зависит в конечном счёте от его глубины. За долгие зимы мелкие водоёмы (лужи) промерзают до дна, а глубокие просто-напросто не успевают.

Виконати завдання: 1. Поясніть, чому взимку річка не промерзає до дна.
2. Вас попросили поміняти воду в акваріумі. Турбуючись про мешканців акваріуму, ви вирішили прокип’ятити воду і тільки після охолодження залити її. Чи принесе така турбота користь? Чому?
3(*). У порцелянову чашку масою 11,64 г. налито насичений за 15 градусів за Цельсієм розчин калій нітрату. Маса чашки з розчином 106,6 г, а після випарювання – 30,74 г. Обчисли розчинність калій нітрату за температури 15 градусів за Цельсієм. ОЧЕНЬ СРОЧНО!!

1. Річка взимку не промерзає до дна завдяки фізичним властивостям води. Вода має найвищу густина при приблизно +4°C, і якщо поверхневий шар води охолоджується до цієї температури, то він залишається на поверхні. Таким чином, знизу формується тепла ізоляційна “подушка” води, яка запобігає промерзанню річки до дна.

2. Прокип’ятити воду перед заливкою в акваріум може бути корисним. Прокип’ятжена вода видаляє бактерії та інші забруднення, які можуть бути шкідливими для мешканців акваріуму. Крім того, кип’ячення води може допомогти видалити хлор та інші хімічні забруднення, які можуть міститися в крановій воді.

3. Щоб обчислити розчинність калій нітрату за температури 15°C, спершу визначимо масу розчину калій нітрату, який додали до чашки:

Маса розчину = Маса чашки з розчином – Маса порцелянової чашки = 106,6 г – 11,64 г = 94,96 г.

Тепер визначимо масову частку калій нітрату в цьому розчині:

Масова частка (%) = (Маса розчиненої солі / Маса розчину) * 100% = (94,96 г / 94,96 г) * 100% = 100%.

Отже, масова частка калій нітрату у насиченому розчині за температури 15°C становить 100%.