Воду переохладили до рекордно низкой температуры. Чистую воду охлаждают до температуры
Замораживание воды
Когда чистую воду при нормальном атмосферном давлении охлаждают в естественных или лабораторных условиях до 0° (в виде маленьких капель, тонкой пленки и в несколько больших количествах), в ней всегда наблюдается перемещение молекул и выделение льда.
При значительно повышенном атмосферном давлении температура замерзания воды и водных растворов понижается, поскольку лед при 0° занимает больший объем, чем вода. В результате сжатия лед превращается в воду. Количество выделяемого тепла составляет 80 кал на каждый грамм льда, образующегося при замерзании воды, и, пока не отведено все это количество тепла, равное скрытой теплоте кристаллизации, вода не замерзает. Объем образовавшегося льда зависит от количества отведенного тепла. При атмосферном давлении льда и вода и лед при 0° остаются в равновесии, но на границе между этими двумя фазами происходит интенсивный обмен молекул. Обмен молекул происходит также между льдом и водяным паром в атмосфере, с которой соприкасается лед. Это создает давление пара над льдом, которое заметно даже при очень низких температурах. Если в равновесном состоянии при 0° к воде и льду подводится немного тепла, некоторое количество льда плавится, а при отведении тепла образуется больше льда. Когда тепло удаляется постепенно, температура жидкой фазы остается на 0°, пока вся вода не превратится в лед. После этого температура всей массы льда резко падает. Лед обладает хорошей теплопроводностью, но при большом его объеме температура на поверхности, где происходит охлаждение, может быть ниже, чем в центре глыбы льда или на глубине, где лед соприкасается с водой при температуре 0°. Так, глубокое озеро, расположенное высоко в горах Аляски, покрыто льдом в течение всего года, и его наружная поверхность может находиться в равновесном состоянии с окружающим воздухом, температура которого зимой достигает —40°. В то же время не замерзшая в глубине вода с температурой 0° всегда будет в равновесном состоянии с внутренней поверхностью ледяного слоя, покрывающего озеро. Эта вода, вытекающая через отверстие в склоне горы, приводит в действие электрический генератор, работающий круглый год в соседней долине. Такое же явление, только в меньших масштабах, можно воспроизвести и в лабораторных условиях, когда вода, разлитая в пробирки, колбы или другие сосуды, под воздействием низких температур будет замерзать по краям, а в середине до того момента, пока не наступит термическое равновесие, будет находиться свободная вода.
Взвешенные в воде частицы отталкиваются от фронта льда по мере его продвижения и не включаются в кристаллы льда, даже будучи окруженными со всех сторон наступающим на них льдом. Атмосферные газы при температуре 0° остаются растворенными в воде. При определенных условиях между кристаллами льда могут образовываться пузырьки газа, часто видимые на животных или растениях, окруженных кристаллами льда. Скорость диффузии кислорода, углекислоты и других газов через лед незначительна, но с ней надо считаться.
Лед оседает в виде тонкой пленки на стекле и других поверхностях в результате конденсации и последующего вымерзания молекул воды, находившихся ранее в состоянии пара. Скорость роста и форма отдельных кристаллов варьируют в зависимости от температуры, влажности и характера поверхности. Примером могут служить разнообразные сложные рисунки кристаллов льда, образующиеся зимой на замерзших оконных стеклах.
Люйет описал методику измерения низких температур и усовершенствованные оптические методы кинематографической регистрации развития кристаллов в тонких пленках чистой воды, охлаждаемой медленно или, наоборот, со скоростью нескольких сот градусов в 1 сек. При образовании льда в чистой воде с температурой 0° уголки ледяных пластинок имеют закругленную форму, так же как и острие и края игловидных кристаллов. Чем выше скорость охлаждения, тем больше число образовавшихся кристаллов и тем меньше первоначальный их размер. Люйет подчеркивает, что под микроскопом можно наблюдать мельчайшие кристаллы размером около 1 м/с3. Самое близкое расстояние между центральными кислородными атомами в отдельных молекулах воды составляет 2,76 А. Таким образом, самые маленькие видимые кристаллики льда должны содержать не менее 27·109 молекул. Может показаться, что пленка воды, охлажденная со скоростью нескольких сот градусов в 1 сек, превращается в однородную стеклянную массу. Если бы она витрифицировалась, в ней наблюдалось бы беспорядочное расположение молекул. Недавно с помощью электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии удалось обнаружить в пленке воды, охлажденной с максимально доступной скоростью, крошечные кристаллики, неуловимые для оптических методов.
Прайд и Джонс указывали на трудности, связанные с превращением воды в стеклообразное состояние. Плотную стекловидную массу, содержащую то или иное количество кристаллического льда, можно было получить и поддерживать при температурах ниже —130°. Но при согревании до температуры выше —129°процесс кристаллизации завершался. Меримэн и Кэйфиг добились исключительно быстрого охлаждения путем возгонки и медленной конденсации льда в вакууме на металлической поверхности при температуре жидкого азота (—196°). Приготовляли реплики поверхности кристаллов для исследования под электронным микроскопом. Такие пленки оказались мелкозернистыми, причем отдельные зерна достигали в диаметре около 150 мк. Возможно, это были очень мелкие кристаллы или агрегаты молекул. Пленки согревали до температуры между —70 и —120° в течение различных периодов времени (от 30 сек до 5 мин), затем вновь охлаждали до температуры жидкого азота и снимали с них реплики. Результаты исследований говорят о чрезвычайно интенсивном росте кристаллов льда в течение коротких периодов времени при очень низких температурах (от 70 до 96°). Миграционная перекристаллизация такого рода может происходить в тонких пленках льда при любой температуре от 0 до —120°. Подвижность льда при низких температурах можно наблюдать и в бытовых холодильниках, и в промышленных холодильных установках. Само собой разумеется, вода, превращенная в лед, не находится в статическом состоянии. Отдельные кристаллики льда мигрируют, соединяются с другими и таким образом увеличиваются в объеме, независимо от того, контактируют ли они со свободной водой или с водяным паром в воздухе.
Рентгенографические исследования показали, что незамерзшая вода, по-видимому, имеет «структуру битого льда». А это означает, что незамерзшая вода всегда содержит несколько молекул, которые связаны с четырьмя соседними молекулами водородными связями также, как молекулы льда, образуя тетраэдр. Эти связи непрерывно разрываются и перестраиваются. По мере повышения температуры среднее число связей на одну молекулу уменьшается и при температуре около +40° достигает двух. Само собой разумеется, однако, что, если мы рассматриваем воду как некое скопление молекул, нельзя считать лед совершенно чуждым ей веществом. Каждая молекула воды имеет V-образную форму, причем атом кислорода расположен у вершины V. Угол у вершины V между двумя связями ОН равен 103—106°. Длина каждой связи ОН составляет 0,96 А.
Каждый атом кислорода окружен четырьмя другими, причем водородные ионы располагаются на линиях, соединяющих ядра атомов кислорода. Таким образом, положительно заряженные протоны одной молекулы воды связаны с отрицательными зарядами двух соседних молекул. Каждая-из четырех внешних молекул воды первоначального тетраэдра притягивает к себе три молекулы, которые также образуют тетраэдр. Число молекул, связанных с центром кристаллизации льда, постепенно возрастает и первоначальная структура (в виде тетраэдра) сохраняется на протяжении всего периода роста кристалла или пластинки льда. Поскольку тетраэдры не могут очень тесно прилегать друг к другу, плотность льда невелика, он плавает на поверхности воды, и, как уже упоминалось, сжатие вызывает таяние льда при температуре 0°, так как открытая «рыхлая» решетка кристаллов льда не может сохраняться при высоком атмосферном давлении. В противоположность этому многие другие вещества при повышении давления легче затвердевают.
Отдельные молекулы воды в растущем кристалле льда имеют значительную степень свободы. Однако для того, чтобы разорвать водородные связи, требуется энергия, и массу льда в некотором отношении можно рассматривать как одну гигантскую молекулу. Необходимо усвоить, что связывание молекул воды со сложными соединениями, содержащими гидроксильные группы, по существу не отличается от связывания во льду молекул воды друг с другом. Лишь немногие вещества связывают молекулы воды лучше, чем сама вода, особенно при пониженных температурах. Подтверждением этого может служить тот факт, что для превращения льда при 0° в водяной пар, в котором связанных молекул меньше, требуется 600 кал на 1 г.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
www.activestudy.info
горячая или холодная? От чего это зависит
На то, какая вода быстрее замерзает, горячая или холодная, влияет множество факторов, но сам по себе вопрос кажется немного странным. Подразумевается, и это известно из физики, что горячей воде еще нужно время для того, чтобы остыть до температуры сравниваемой холодной воды, чтобы превратиться в лед. Холодной воде этот этап можно пропустить, а, соответственно, по времени она выигрывает. 
Так же подумал и учитель физики, к которому обратился школьник Эрасто Мпемба в 1963 году с просьбой объяснить, почему холодная смесь будущего мороженого замерзает дольше, чем аналогичная, но горячая.
"Это не всемирная физика, а какая-то физика Мпембы"
В тот раз учитель только посмеялся над этим, но Денисс Осборн, профессор физики, который в свое время заехал в ту же школу, где учился Эрасто, экспериментально подтвердил наличие такого эффекта, хотя и объяснения тогда этому не нашлось. В 1969 году в популярном научном журнале вышла совместная статья этих двух людей, которые описали этот своеобразный эффект. 
Вопрос возникал давно
Естественно, что и раньше такой феномен имел место быть, и он был упомянут в работах других ученых. Не только школьник интересовался этим вопросом, но и свое время об этом думал Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт и даже Аристотель.
Вот только подходы к решению данного парадокса приступили искать только в конце двадцатого века.
Условия для того, чтобы произошел парадокс
Как и в случае с мороженым, не просто обычная вода замерзает в процессе эксперимента. Должны присутствовать определённые условия для того, чтобы начать спорить, какая вода замерзает быстрее – холодная или горячая. Что влияет на протекание данного процесса?
Сейчас, в 21 веке, выдвинуто несколько вариантов, которые могут объяснить даный парадокс. То, какая вода замерзает быстрее, горячая или холодная, может зависеть от того, что у горячей воды имеется большая, чем у холодой, скорость испарения. Таким образом, уменьшается ее объем, а при уменьшении объема и время замерзания становится меньше, нежели если взять аналогичный изначальный объем холодной воды.
Давно размораживали морозилку
На то, какая вода замерзает быстрее, и почему это происходит, может повлиять снеговая подкладка, которая может иметь место в морозилке холодильника, используемого для эксперимента. Если взять два контейнера, идентичных по объему, но в одном из них будет горячая вода, а в другом – холодная, контейнер с горячей водой расплавит под собой снег, тем самым улучшая контакт теплового уровня со стенкой холодильника. Контейнер с холодной водой такого сделать не может. Если же таковой подкладки со снегом в холодильной камере нет, холодная вода должна замерзнуть быстрее.
Верх - внизу
Также явление того, какая вода быстрее замерзает – горячая или холодная, объясняется следующим образом. Следуя определенным законам, холодная вода замерзать начинает с верхних слоев, когда горячая делает это наоборот - начинает замерзать снизу вверх. При этом выходит, что холодная вода, имея сверху холодную прослойку с уже местами образовавшимся льдом, ухудшает себе таким образом процессы конвекции и теплового излучения, тем самым объясняется, какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая. Фото с любительских экспериментов прилагается, и здесь это четко видно.
Тепло выходит наружу, стремясь вверх, а там встречается с очень охлажденным слоем. Свободного пути для теплоизлучения не имеется, потому процесс охлаждения становится затруднительным. Таких преград на своем пути абсолютно не имеет горячая вода. Какая замерзает быстрее – холодная или горячая, от чего зависит вероятный исход, можно расширить ответ тем, что любая вода имеет определенные вещества, растворенные в ней.
Примеси в составе воды как фактор, влияющий на исход
Если не жульничать и использовать воду с одинаковым составом, где концентрации определенных веществ являются идентичными, то холодная вода должна замерзнуть быстрее. Но если же происходит ситуация, когда растворённые химические элементы в наличии только в горячей воде, а холодная вода при этом ими не обладает, тогда есть возможность у горячей воды замерзнуть раньше. Объясняется это тем, что растворенные вещества в воде создают центры кристаллизации, и при малом количестве этих центров превращение воды в твердое состоянии затруднено. Возможно даже переохлаждение воды, в том плане, что при минусовой температуре она будет находиться в жидком состоянии.
Но все эти версии, видно, не до конца устраивали ученых и они продолжали работать над этим вопросом. В 2013 году команда исследователей в Сингапуре заявила, что им удалось разгадать вековую загадку. 
Разгадка от китайских ученых
Далее последует информация, для понимания которой необходимо иметь некоторые знания в химии, чтобы разобраться в том, какая вода замерзает быстрее - горячая или холодная. Как известно, молекула воды состоит из двух атомов Н (водорода) и одного атома О (кислорода), удерживаемых между собой ковалентными связями.
Но также атомы водорода одной молекулы притягиваются и к соседним молекулам, к их кислородной составляющей. Именно такие связи называются водородными.
При этом стоит помнить, что в то же время молекулы воды действуют друг на друга отталкивающее. Ученые отметили, что при нагревании воды между ее молекулами увеличивается расстояние, и этому способствуют как раз отталкивающие силы. Получается так, что водородные связи, занимая одно расстояние между молекулами в холодном состоянии, можно сказать, растягиваются, и у них появляется больший запас энергии. Именно этот запас энергии высвобождается, когда молекулы воды начинают сближаться друг с другом, то есть, происходит охлаждение. Выходит, что больший запас энергии в горячей воде, и ее большее высвобождение при охлаждении до минусовых температур, происходит быстрее, чем в холодной воде, у которой запас такой энергии меньше. Так какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая? На улице и в лаборатории должен происходить парадокс Мпембы, и горячая вода должна превращаться в лед быстрее.
Но вопрос все еще открыт
Существует лишь теоретическое подтверждение данной разгадки – все это написано красивыми формулами и кажется правдоподобным. Но вот когда данные экспериментов, какая вода быстрее замерзает - горячая или холодная, будут поставлены в практическом смысле, и их результаты будут представлены, тогда и можно будет считать вопрос парадокса Мпембы закрытым.
fb.ru
Воду переохладили до рекордно низкой температуры
Перисто-кучевое облако, сформировавшееся в результате кристаллизации льда из сильно переохлажденных капель воды
Ian Jacobs / flickr
Физикам впервые удалось переохладить водные капли до −42,55 градуса Цельсия, что более чем на градус ниже предыдущего подтвержденного рекорда. Для охлаждения использовался метод быстрого вакуумного испарения, а температура определялась по данным комбинационного рассеяния света, исходя из размера капель, сообщают ученые в Physical Review Letters.
При охлаждении воды в неравновесных условиях, она может оставаться в жидком состоянии даже при температурах значительно ниже температуры плавления (то есть нуля градусов Цельсия). Такая вода называется переохлажденной и для ее получения необходимо отсутствие в ней центров кристаллизации. Переохладить воду больше, чем на несколько градусов, достаточно сложно, поэтому все экспериментальные рекорды по получению самой холодной жидкой воды известны для очень чистых микрокапель, которые не контактируют с твердыми поверхностями.
К настоящему моменту самая низкая температура, при которой микрокапли воды удавалось сохранить в жидком состоянии и которую при этом удалось измерить достоверно, составляла примерно −41 градус Цельсия (стоит отметить, что капли воды, переохлажденные до −39 градусов Цельсия можно встретить и в естественных условиях в облаках в верхних слоях атмосферы). При этом по результатам теоретического анализа и компьютерного моделирования известно, что минимальная температура, при которой вода все еще может существовать в метастабильном жидком состоянии, составляет около −45 градусов, ниже которой переохлажденное состояние уже является неустойчивым.
Коллектив физиков из Германии, Франции, Испании и Италии под руководством Роберта Гризенти (Robert E. Grisenti) из Франкфуртского университета имени Гёте предложил использовать для переохлаждения микрокапель воды метод быстрого испарения в вакууме. Основной недостаток этого подхода состоит в том, что при таком охлаждении достаточно сложно точно определить температуру. Чтобы решить эту проблему, авторы работы предложили использовать метод комбинационного рассеяния света. Измерив смещение рамановского пика по частоте, можно с очень хорошей точностью определить распределение капель в струе по размеру, исходя из которого затем рассчитать потерю массы при испарении и после этого — температуру капли. Точность такого метода, по оценкам ученых, составляет около 0,5 градуса.
Данные об изменении размера (сверху) и температуры (снизу) капли при сверхбыстром испарении в вакууме. Крайние правые символы соответствуют каплям, в которых уже началась кристаллизация льда
Claudia Goy et al./ Physical Review Letters, 2018
С помощью предложенного подхода ученым удалось охладить капли, начальный размер которых составлял около 6,3 микрон, до температуры −42,55 градуса Цельсия, что даже с учетом довольно большой погрешности примерно более чем на градус ниже предыдущего рекорда, определенного достоверным методом измерения. Авторы работы отмечают, что в одной из работ уже писали о переохлаждении капель даже большего размера до таких же температур, как и в данной работе, однако, по всей видимости, авторы предыдущего исследования не учли возможное нагревание капель в результате облучения. Надежность метода измерений температуры, предложенного в данной работе, еще предстоит проверить.Ученые сообщают, что предложенный метод позволяет охлаждать и более крупные капли до достаточно низких температур. Кроме того, метод комбинационного рассеяния одновременно с размером капли дает возможность следить и за состоянием связи между кислородом и водородом внутри молекул и водородных связей между молекулами. Исходя из полученных данных, в будущем ученые надеются получить информацию об изменении структуры водородных связей в воде при переохлаждении до критически низких температур. По словам авторов исследования, результаты работы, в частности, помогут более детально изучить процессы, происходящие при кристаллизации льда в атмосфере, и построить более надежные климатические модели.
Поскольку скорость кристаллизации льда из переохлажденной воды очень велика, экспериментальное исследование этого процесса тоже довольно затруднительно. Чтобы наблюдать за фронтом кристаллизации, ученые, в частности, используют облучение короткими лазерными импульсами полутяжелой воды. С помощью такого метода американские физики описали кристаллизацию льда из воды, переохлажденной до температур от −90 до −10 градусов Цельсия и показали, что скорость роста кристалла в зависимости от температуры может отличаться на 11 порядков.
Александр Дубов
nplus1.ru
