Сжимается ли вода: Сжатие воды : Физика

Содержание

Появились доказательства того, что вода состоит из двух жидкостей — EADaily, 27 июля 2020 — Общество. Новости, Новости Европы

Вода очень необычно реагирует на очень низкие температуры. Существующие гипотезы, объясняющие это, вызывают ожесточенную полемику в научных кругах. Одна из них, сформулированная почти 30 лет назад, заключалась в том, что существуют два вида воды. Итальянским ученым удалось доказать это в лаборатории, пишет испанская газета ABC.

Вода очень необычно реагирует на очень низкие температуры. При охлаждении, вопреки логике, вода не сжимается, а расширяется (именно поэтому лед имеет свойство плавучести). Холодная вода обладает меньшей сжимаемостью, чем горячая. Более того, при заморозке молекулы воды могут всячески менять свое расположение.

Всему этому сложно найти объяснения, причем существующие теории вызывают ожесточенную полемику в научных кругах. Одна из них была сформулирована почти три десятилетия назад и заключалась в том, что ледяная вода может существовать в двух разных жидких формах, одна из которых обладает менее плотной структурой. Другими словами, существует два вида воды, каждый из которых является отдельной жидкостью. Исследование было недавно опубликовано в журнале Science.

В своем исследовании ученые Пабло Дебенедетти и Гюль Х. Зерце из Принстонского университета и Франческо Шортико из Ла Сапиенца в Риме предполагают, что «вторая критическая точка воды» возникает при температурах от минус 83 до минус 100 градусов и при атмосферном давлении почти в 2 000 раз выше, чем давление над уровнем моря. Критическая точка — это единственное значение температуры и давления, при котором две фазы вещества становятся неразличимыми, и происходит это непосредственно перед тем, как вещество переходит из одной фазы в другую. Вода, например, имеет хорошо известную критическую точку при переходе от жидкости к пару.

«Только вообразите нашу радость, когда мы увидели, что критические колебания протекают именно так, как мы и предполагали», — отмечают ученые.

До сих пор эксперименты с использованием реальных молекул воды для проверки второй критической точки «суперохлаждения» воды не могли дать однозначных доказательств его существования. По словам Дебенедетти, это во многом связано с тем, что ледяная вода обычно превращается в лед.

По этой причине исследователи решили прибегнуть к использованию компьютерных моделей. Процесс по-настоящему трудоемкий. Несмотря на высокую мощность современных суперкомпьютеров, для создания моделей ученые 18 месяцев занимались необходимыми вычислениями.

В симуляциях, когда температура была еще далека от точки замерзания, плотность воды начала сильно колебаться. В итоге ученым удалось обнаружить критическую точку, которую они искали в двух разных компьютерных моделях воды. При этом для поиска критической точки воды в обеих моделях были применены разные вычислительные подходы.

Как и при переходе от жидкой фазы к газовой фазе, ледяная вода может переходить в две разные фазы, в зависимости от того, как перегруппировались ее молекулы. Таким образом, в жидкости низкой плотности четыре молекулы группируются вокруг центральной молекулы, образуя тетраэдр. Однако в жидкости с более высокой плотностью в игру вступает шестая молекула, что приводит к увеличению ее плотности.

В своей статье исследователи пишут, что «в пределах наших вычислительных возможностей было доказано существование метастабильной критической точки в стадии глубокого охлаждения молекул воды».

Естественно, теперь этот вывод должен быть подтвержден другими экспериментами, как говорят ученые, «использующими более точные и дорогие вычислительные средства».

Основные понятия о жидкости и сжатом воздухе

Жидкости являются телами, которые имеют почти постоянный объем, но не имеют постоянной формы.

Жидкости разделяются на вязкие и невязкие. К вязким жидкостям относятся: глицерин, машинное масло, олифа и др. Невязкими и текучими жидкостями являются: вода, бензин, спирт и др. При нагревании жидкости расширяются в объеме: например, вода расширяется на 0,0006, глицерин на 0,0003, керосин на 0,001 своего первоначального объема при повышении температуры на Г. С увеличением давления жидкость незначительно сжимается, т. е. уменьшается в объеме. При давлении в 1 атмосферу вода сжимается на 0,00005 своего первоначального объема. Величина эта так незначительна, что практически можно считать жидкости несжимаемыми.

Сжатый воздух, которым пользуются в качестве механической движущей силы для приведения в действие машин, вырабатывается из атмосферного воздуха.

Как все газы, так и атмосферный воздух обладает способностью сжиматься. На этом важном свойстве — способности к сжатию атмосферного воздуха — и основан способ получения сжатого воздуха и его применение в промышленности.

Сжатие атмосферного воздуха производится особыми машинами, называемыми компрессорами.

Существуют компрессоры поршневые и турбинные, резко отличающиеся по своему устройству и принципу работы. Поршневые компрессоры строят одноступенчатыми, двухступенчатыми и многоступенчатыми.

Одноступенчатыми они называются потому, что воздух сжимается в них до рабочего давления в 6—7 ат за один прием — одну ступень. В двухступенчатых компрессорах воздух до рабочего давления сжимается в два приема — две ступени. Процесс сжатия воздуха в двухступенчатом компрессоре производится сначала в первом цилиндре до 4 от, а потом через промежуточный охладитель переходит во второй, в котором он подвергается вторичному сжатию до 7 ат.

При потреблении сжатого воздуха, превышающего давление 6—7 ат, применяют многоступенчатые компрессоры. Давление в них может быть доведено до 150 ат.

Для получения сжатого воздуха высокого давления применяются турбинные компрессоры. Турбинные компрессоры имеют ряд преимуществ перед поршневыми компрессорами, они конструктивно более совершенны, надежны в действии и более компактны. Но турбинные компрессоры более дорогие как по стоимости, так и по эксплуатационным расходам, поэтому они применяются обычно при большом потреблении сжатого воздуха.

Атмосферный воздух в компрессорах подвергается сжатию. Степень сжатия зависит исключительно от количества затраченной для этого энергии. Чем больше будет затрачено энергии, тем сильнее будет сжат атмосферный воздух.

При сжатии воздух уменьшается в объеме и занимает меньше места: объем сжатого воздуха много меньше объема атмосферного воздуха. Сжатый до определенного давления воздух обладает большой упругостью. Эта упругость сжатого воздуха есть не что иное, как запасенная частицами воздуха энергия давления. Чем больше будет сжат воздух, тем больше, в силу своей упругости, он будет стремиться к расширению. Воздух, освобождаясь от сжатия, стремится к быстрому расширению и этим производит определенную работу. Энергия при превращении в работу широко используется в пневматических инструментах и машинах. Подача сжатого воздуха от компрессоров к необходимым местам производится по трубопроводам.

Сжимаемость воды | Геологическая служба США

Школа водных наук

6 июня 2018 г.

Сжимаемость воды

Свойства воды Вопросы и ответы

Свойства воды Фотогалерея

Узнайте о свойствах воды с помощью изображений

Дом школы водных наук

Обзор
Наука
Мультимедиа
Публикации

Вода практически несжимаема, особенно при нормальных условиях. Тем не менее, в промышленности вода может быть чрезвычайно сжата и использована для таких вещей, как резка металла.

• Школа наук о воде ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА • Темы свойств воды •

Источники/Использование: Некоторое содержимое может иметь ограничения. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.

Будучи несжимаемой, вода является удобным и полезным инструментом для работы (и развлечения). Несжимаемость воды позволяет работать пожарным шлангам, заставляет работать инструменты с гидравлическим приводом, а детям весело бегать под фонтаном, который выбрасывает воду (под давлением).

Авторы и права: Джо Мэйбл

Трудно «дожать» воду

Вода практически несжимаема, особенно при нормальных условиях. Если вы наполните пакет для сэндвичей водой и поместите в него соломинку, когда вы сожмете пакет, вода не будет сжиматься, а вытолкнет соломинку. Если бы вода сжалась, она бы не «вытолкнулась» из соломинки. Несжимаемость — обычное свойство жидкостей, но особенно несжимаема вода.

Отсутствие сжимаемости воды помогает выталкивать воду из водяных шлангов (удобно для тушения пожаров), водяных пистолетов (удобно, чтобы беспокоить папу) и в художественных фонтанах (удобно для отдыха). В этих случаях к сосуду, полному воды, прикладывается некоторое давление, и вместо того, чтобы сжиматься, вода выбрасывается из отверстия, такого как конец шланга или конец небольшой трубы, как в этом фонтане. Если бы вода была сильно сжимаемой, было бы труднее создать давление, достаточное для того, чтобы вода выбрасывалась из ближайшего отверстия

Дети хорошо используют несжимаемость воды, когда играют в игру с бросанием водяных шариков. Если вы слишком сильно сожмете воздушный шар, оболочка воздушного шара порвется до того, как вода внутри сожмется — он лопнет перед вашим лицом задолго до того, как вода сожмется даже в бесконечно малой степени.

Эксперимент со сжимаемостью воды

Когда мне было 7 лет, несжимаемость воды доставила мне большие неприятности. Я анализировал сжимаемость воды на пропитать губку водой, размять ее и посмотреть, сколько воды вытекло. Чтобы проверить, сжимается ли вода, я добавил в воду немного красного пищевого красителя, впитал ее и сел на новый белый ковер моих родителей, чтобы доказать свою теорему. Я думал, что раз вода попала в губку, я могу сжать губку, и вода сожмется. Моя теорема была (мучительно) опровергнута, так как вода выплескивалась, а не сжималась. Ну, я был ребенком, откуда мне было знать, что сжимаемость воды при комнатной температуре составляет всего около 0,000053 при увеличении давления примерно на 14,7 фунта на квадратный дюйм?

Давление и температура могут влиять на сжимаемость

Но стоит сильно сжать, и вода сожмется — уменьшится в размерах и станет более плотной … но не очень сильно. Представьте воду глубиной в милю в океане . На такой глубине вес воды наверху, толкающей вниз, примерно в 150 раз превышает нормальное атмосферное давление ( Источник: Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне, спросите у фургона ). Даже при таком большом давлении вода сжимается менее чем на один процент.

Станок для гидроабразивной резки с компьютерным управлением, использующий воду под высоким давлением для создания декоративного рисунка на металле.

Авторы и права: Steve Brown Photography

Тем не менее, в промышленности вода может быть чрезвычайно сжата и использоваться для таких вещей, как резка металла (особенно если в воду добавлен абразивный материал и вода горячая). Вода, выталкиваемая с огромной скоростью через крошечное отверстие, используется в промышленности для разрезания всего, от металла до керамики, пластика и даже продуктов питания. Это предпочтительный метод, когда разрезаемые материалы чувствительны к высоким температурам, создаваемым другими методами. Он нашел применение в различных отраслях промышленности, от горнодобывающей до аэрокосмической, где он используется для таких операций, как резка, формовка, резьба и развертывание. Конечно, чтобы прорезать камень, поток воды должен двигаться очень быстро и создавать огромное давление. Насос используется для нагнетания воды в емкости при значениях давления до

фунтов на квадратный дюйм (psi), а затем выстрелить из сопла на скорости до 600 миль в час. (

Источник: НАСА ).

Ниже приведены другие научные темы, связанные со сжимаемостью воды.

Ниже представлены мультимедийные элементы, связанные со сжимаемостью воды.

Ниже приведены публикации, связанные со сжимаемостью воды.

Обзор
Вода практически несжимаема, особенно при нормальных условиях. Тем не менее, в промышленности вода может быть чрезвычайно сжата и использована для таких вещей, как резка металла.
• Школа наук о воде ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА • Темы, посвященные свойствам воды •
Источники/Использование: Некоторое содержимое может иметь ограничения. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.
Будучи несжимаемой, вода является удобным и полезным инструментом для работы (и развлечения). Несжимаемость воды позволяет работать пожарным шлангам, заставляет работать инструменты с гидравлическим приводом, а детям весело бегать под фонтаном, который выбрасывает воду (под давлением).
Авторы и права: Джо Мэйбл
Трудно «дожать» воду
Вода практически несжимаема, особенно при нормальных условиях. Если вы наполните пакет для сэндвичей водой и поместите в него соломинку, когда вы сожмете пакет, вода не будет сжиматься, а вытолкнет соломинку. Если бы вода сжалась, она бы не «вытолкнулась» из соломинки. Несжимаемость — обычное свойство жидкостей, но особенно несжимаема вода.
Отсутствие сжимаемости воды помогает выталкивать воду из водяных шлангов (удобно для тушения пожаров), водяных пистолетов (удобно, чтобы беспокоить папу) и в художественных фонтанах (удобно для отдыха). В этих случаях к сосуду, полному воды, прикладывается некоторое давление, и вместо того, чтобы сжиматься, вода выбрасывается из отверстия, такого как конец шланга или конец небольшой трубы, как в этом фонтане. Если бы вода была сильно сжимаемой, было бы труднее создать давление, достаточное для того, чтобы вода выбрасывалась из ближайшего отверстия
Дети хорошо используют несжимаемость воды, когда играют в игру с бросанием водяных шариков. Если вы слишком сильно сожмете воздушный шар, оболочка воздушного шара порвется до того, как вода внутри сожмется — он лопнет перед вашим лицом задолго до того, как вода сожмется даже в бесконечно малой степени.

Эксперимент со сжимаемостью воды
Когда мне было 7 лет, несжимаемость воды доставила мне большие неприятности. Я анализировал сжимаемость воды на пропитать губку водой, размять ее и посмотреть, сколько воды вытекло. Чтобы проверить, сжимается ли вода, я добавил в воду немного красного пищевого красителя, впитал ее и сел на новый белый ковер моих родителей, чтобы доказать свою теорему. Я думал, что раз вода попала в губку, я могу сжать губку, и вода сожмется. Моя теорема была (мучительно) опровергнута, так как вода выплескивалась, а не сжималась. Ну, я был ребенком, откуда мне было знать, что сжимаемость воды при комнатной температуре составляет всего около 0,000053 при увеличении давления примерно на 14,7 фунта на квадратный дюйм?

Давление и температура могут влиять на сжимаемость
Но стоит сильно сжать, и вода сожмется — уменьшится в размерах и станет более плотной … но не очень сильно. Представьте воду глубиной в милю в океане . На такой глубине вес воды наверху, толкающей вниз, примерно в 150 раз превышает нормальное атмосферное давление ( Источник: Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне, спросите у фургона ). Даже при таком большом давлении вода сжимается менее чем на один процент.
Источники/Использование: Некоторое содержимое может иметь ограничения. Посетите СМИ, чтобы узнать подробности.
Станок для гидроабразивной резки с компьютерным управлением, использующий воду под высоким давлением для создания декоративного рисунка на металле.
Авторы и права: Steve Brown Photography
Тем не менее, в промышленности вода может быть чрезвычайно сжата и использоваться для таких вещей, как резка металла (особенно если в воду добавлен абразивный материал и вода горячая). Вода, выталкиваемая с огромной скоростью через крошечное отверстие, используется в промышленности для разрезания всего, от металла до керамики, пластика и даже продуктов питания. Это предпочтительный метод, когда разрезаемые материалы чувствительны к высоким температурам, создаваемым другими методами. Он нашел применение в различных отраслях промышленности, от горнодобывающей до аэрокосмической, где он используется для таких операций, как резка, формовка, резьба и развертывание. Конечно, чтобы прорезать камень, поток воды должен двигаться очень быстро и создавать огромное давление. Насос используется для нагнетания воды в емкости при значениях давления до
фунтов на квадратный дюйм (psi), а затем выстрелить из сопла на скорости до 600 миль в час. (
Источник: НАСА ).
Наука
Ниже приведены другие научные темы, связанные со сжимаемостью воды.
Мультимедиа
Ниже представлены мультимедийные элементы, связанные со сжимаемостью воды.
Публикации
Ниже приведены публикации, связанные со сжимаемостью воды.

Что происходит с водой, когда ее сжимают?

Поскольку мы уже обсуждали реакцию воды на холодный вакуум, пришло время изучить ее свойства, когда она подвергается очень высокому давлению. Ради нашего исследования давайте построим идеальную систему равновесия с контейнером — давайте сделаем это с Уру или неразрушимым металлом из вашей собственной вымышленной вселенной — который просто неразрушим. Давайте снабдим его узлом охлаждающей жидкости, чтобы поддерживать одинаковую температуру на протяжении всего процесса сжатия.

Поднимите давление

Приблизительная температура окружающей среды будет 303,15 К, а атмосферное давление будет 100 кПа. При поддержании этой температуры и увеличении давления в неразрушимом контейнере вода переходит из жидкой фазы в твердую фазу при повышении давления выше 1 ГПа. Это связано с тем, что молекулы теперь плотно упакованы под давлением, и очевидным был бы переход к твердому льду, но с другой температурой (комнатной в нашем случае, с отводом тепла системой охлаждения) и кристаллической структурой, в отличие от обычного лед. Следующая фазовая диаграмма воды может помочь вам лучше понять это.

Иллюстрация Cmglee | CC BY-SA

При дальнейшем повышении давления кристаллическая структура льда изменится со льда VI на лед VII и со льда X на лед XI. Теперь вы знаете, что в этой вселенной, конечно же, существуют разные формы льда. К сожалению, эти формы льда можно увидеть только в исследовательских лабораториях, а не в вашем морозильнике (да!). Если вам интересно, что такого особенного в этих льдах, так это их кристаллическая структура.

Я хочу больше давления

Придерживаясь нашего гипотетического стремления, когда мы увеличиваем давление выше 1 ТПа, кристаллическая структура может превратиться в металлическую структуру, как предполагается в статье здесь. В этом исследовании даже утверждается, что помимо существующих фаз существуют еще две кристаллические структуры. С другой стороны, также существует вероятность того, что молекулы льда XI диссоциируют на атомы водорода и кислорода. Есть еще несколько возможностей, таких как образование гидроксония, но давайте сосредоточимся на некоторых весьма возможных гипотетических сценариях.

Остановим охлаждение и сделаем его адиабатическим

До сих пор мы охлаждали все тепло, выделяемое водой, так как над ней совершается работа с теплоносителем. Когда мы удаляем нашу сборку охлаждающей жидкости вокруг контейнера, энергия в системе увеличивает температуру твердого льда. Но все же мы будем иметь тот же «горячий лед», отчаянно существующий в виде плазмы (вырожденная материяВырожденная материяВырожденная материя — это материя, которая имеет такую необычайно высокую плотность, что доминирующий вклад в ее давление приходится на принцип запрета Паули — Источник: Princeton. edu. Вырожденная материя — это такая материя, которая находится внутри ядра плотной звезды). И когда мы будем мучить систему большим давлением — достаточно сильным, чтобы преодолеть кулоновские силы ядер — атомы водорода сольются, чтобы сформировать гелий, что в конечном итоге приведет к созданию крошечной нейтронной звезды или даже сингулярности, если вы бог. давления.

Вода сжимаема или несжимаема?

Конечно, вода, как и любая другая материя, сжимаема. Но прежде чем вы сможете бросить спорное утверждение о несжимаемых жидкостях в поле для обсуждения ниже, вам, возможно, придется освежить в памяти термин модуль объемного сжатия. В общем, это определяется тем, насколько жидкость или твердое тело может сопротивляться давлению, прикладываемому для сжатия со всех сторон. Поскольку объемный модуль упругости воды составляет 2,2×10 ⁹ Па, вода сжимаема.

Но по меньшей мере практически не поддается сжатию. Для того, чтобы сжать воду, вам понадобится такое-то давление.