Вода при охлаждении: Почему при замерзании вода расширяется?

Почему при замерзании вода расширяется?

От лопнувших в морозильнике бутылок до ущерба, причинённого морозом городской инфраструктуре:

когда вода замерзает, ей нужно больше места, чем в жидком состоянии.

Этим вода отличается от большинства сжимающихся при охлаждении жидкостей и газов. Но почему она ведёт себя так необычно?

Большинство веществ расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. У газов этот эффект проявляется особенно заметно. Таким же образом ведут себя жидкости и твёрдые тела. Хороший пример – воздух в воздушном шаре: в холодную погоду шар съёживается, а рядом с радиатором отопления может даже лопнуть.

Молекулам нужно место

Причиной этой закономерности являются молекулы: чем теплее предмет или газ, то есть чем больше энергии получают молекулы, тем быстрее они двигаются. Поэтому молекулы сталкиваются чаще и сильнее, им необходимо больше места, и давление, которое молекулы газа оказывают на оболочку воздушного шара, растёт. Чтобы выдержать давление, нужен бо́льший объём. Поэтому материал расширяется.

Но вода ведёт себя иначе. При охлаждении до приблизительно 4 градусов Цельсия объём воды уменьшается, что вполне ожидаемо. Однако, если температура продолжает падать, то вода начинается расширяться. То есть её плотность достигает максимального значения при 4 градусах. Это свойство называется аномалией плотности воды.

Но откуда она берётся? Всё дело в молекулах: одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода – отсюда следует известная химическая формула Н2О. Однако эти атомы притягивают электроны в молекуле воды с разной силой.

Это создаёт слегка положительный центр тяжести заряда у водорода и отрицательный у кислорода. Когда молекулы воды сталкиваются, атомы водорода одной молекулы притягиваются и присоединяются к атомам кислорода другой молекулы — образуется так называемая водородная связь.

Когда вода охлаждается, нужно ещё больше места

Из-за формирования водородных связей в жидкой воде появляются места, где молекулы упорядочены так же, как и в кристаллах льда. Эти так называемые кластеры не так прочны, как в твёрдом кристалле. При более высоких температурах они очень быстро меняются.

Когда вода охлаждается, появляется всё больше и больше таких кластеров. И им нужно всё больше и больше пространства. По этой причине вода начинает расширяться после достижения порогового значения 4 градуса Цельсия. Если температура опускается ниже нуля, то мельчайшие кристаллы льда образуются из кластеров и одерживают верх. И вода замерзает.

Для многих природных процессов эта необычная особенность воды очень важна. Так как плотность льда немного меньше плотности холодной воды, он может плавать на поверхности водоёма. Благодаря этому вода замерзает сверху вниз, а внизу располагается 4-градусный слой воды с максимальной плотностью. Это позволяет рыбе и другим водным обитателям пережить зиму на дне водоёма и не замёрзнуть.

 

Предложения для охлаждения

Почему вода расширяется при замерзании?

Общие знания

17. 06.2021

9 149 2 минут чтения

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру, тем самым приобретая определенную форму. Эта кристаллическая структура менее плотная, и поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объем увеличивается, и вода «расширяется».

С беглого взгляда фраза «вода расширяется, когда она замерзает» может не иметь смысла, потому что в жидкой форме вода не имеет определенной формы или очертаний и поэтому, кажется, занимает больше места. Кроме того, когда вода замерзает, она принимает четко определенную форму, которая кажется совершенно противоположной «расширению».

Действительно ли вода расширяется при замерзании?

Да, вода расширяется при замерзании. Обратите внимание, что слово «расширяется» в этом предложении означает увеличение объема. Поэтому технически правильно было бы сказать так: объем воды увеличивается при замерзании.

Это утверждение является точным, и вы можете проверить его правомерность с помощью простого эксперимента: если вы снизите температуру воды, вы заметите, что объем воды уменьшается, поскольку она становится все более и более «нетронутой».

Вы можете обратиться к следующей диаграмме, чтобы представить эту зависимость графически:

Обратите внимание, что объем воды начинает увеличиваться при понижении температуры ниже 4 градусов Цельсия.

Теперь давайте поговорим о том, почему увеличивается объем воды или почему она расширяется, когда замерзает и достигает твердой формы.

Почему объем воды увеличивается, когда она замерзает?

Это явление связано с химическим составом воды. Видите ли, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Расположение этих атомов совершенно уникально, что придает воде некоторые особые свойства, такие как высокая теплоемкость воды, поверхностное натяжение, адгезия и когезия.

Является ли вода полярной или неполярной?

Химическая структура молекулы воды.

Такое расположение молекулы воды создает положительно заряженную сторону возле атомов водорода и отрицательно заряженную сторону возле атома кислорода.

Когда две молекулы воды сближаются, положительная сторона одной молекулы цепляется за отрицательную сторону другой молекулы. Когда это происходит в больших масштабах (т.е. с миллионами молекул воды), получается уникальная структура, которая объясняет некоторые химические свойства воды.

В жидком состоянии молекулы воды могут свободно перемещаться, образуя и разрывая водородные связи, что объясняет неправильную форму воды (или любой другой жидкости, если на то пошло). Некоторые молекулы воды часто «уложены» друг на друга, что объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом.

Расположение молекул воды в жидком состоянии.

Однако по мере снижения температуры и охлаждения воды межмолекулярные силы увеличиваются, свобода движения молекул воды уменьшается, и они становятся все менее энергичными (с понижением температуры).

Когда вода достигает точки замерзания, движение ее молекул становится незначительным, и они приобретают более определенную форму, располагаясь в виде шестигранных решеток.

Ниже приведен упрощенный вариант расположения молекул воды в кристаллической форме во льду:

Расположение молекул воды в твердой форме.

Это кристаллическое расположение молекул воды менее плотное, поскольку оно не позволяет молекулам скапливаться (как это происходит в жидкой форме) из-за более сильных межмолекулярных сил.

Такое расстояние между молекулами и их фиксация в таком положении увеличивает объем воды, поэтому говорят, что вода расширяется при замерзании.

Почему лед плавает по воде

Вода расширяется, когда становится льдом, и, поскольку объем обратно пропорционален плотности вещества, лед менее плотен, чем вода. По этой причине лед, вещество, которое кажется более тяжелым, чем его жидкая форма, плавает на воде.

Если бы вода не расширялась при замерзании, лед был бы плотнее воды. Подумайте о влиянии на экосистему планеты! Лед на поверхности озер, морей и океанов утонет, и эти водоемы будут постепенно заполняться снизу вверх. С замерзшими озерами и океанами на Земле не было бы водной жизни.

С этой точки зрения очень хорошо, что вода расширяется в твердой форме!

Подпишитесь на нас:Дзен. Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Градирня Рециркуляционная вода

Электростанция Колумбия производит огромное количество энергии из воды, которая кипятится для получения пара. Для этого используются две отдельные системы с замкнутым контуром: рециркуляционная вода реактора и рециркуляционная вода градирни.

Пар, образующийся в системе рециркуляции реактора, снова превращается в воду после прохождения через наш паровой конденсатор: гигантский теплообменник, в котором используется система рециркуляции воды градирни.

Охлаждающая вода из реки Колумбия переносит тепло от конденсатора к шести градирням с механической тягой, где оно рассеивается в атмосферу в виде водяного пара. Это известно как система охлаждения с замкнутым контуром или с замкнутым циклом.

Химический состав системы оборотного водоснабжения контролируется для сведения к минимуму роста водорослей, образования накипи и общей коррозии. Другие химические добавки используются для повышения эффективности хлорирования, в качестве диспергатора ила и для введения в сырую воду ингибиторов коррозии.

Водозаборная конструкция охлаждающей воды

Электростанция Колумбия получает охлаждающую воду из реки Колумбия через две водозаборные конструкции диаметром 42 дюйма, перфорированные отверстиями диаметром 3/8 дюйма, каждая длиной около 20 футов и расположенными параллельно течению реки примерно 350 футов от берега при малой воде.

Вода течет самотеком в речную насосную. Водозаборные сооружения для Колумбии были спроектированы и построены в конце 1970-х годов. Водозаборы были спроектированы так, чтобы свести к минимуму воздействие подпиточной воды из реки Колумбия, с особым упором на мальков лососевых.

Откуда мы это знаем? Было проведено два исследования, как до, так и после операции.

В исследовании 1985 года программа мониторинга рассматривала как столкновение, так и увлечение в период с апреля по сентябрь. Поражения молоди лососевых обнаружено не было. Эта программа мониторинга была проведена при пересмотре плана исследования Национальной службой морского рыболовства.

В 2018-2019 годах было проведено новое исследование для обновления данных об уносе из исследования 1985 года. Окончательный отчет был представлен 26 февраля 2020 г., и в нем было обнаружено очень незначительное воздействие на рыбу.

Система оборотного водоснабжения состоит из бассейна оборотной воды, трех насосов оборотной воды, шести градирен с принудительной тягой и необходимых клапанов, трубопроводов, средств управления и контрольно-измерительных приборов для непрерывной передачи тепла от главного конденсатора в атмосферу.​​

Качество воды в реке Колумбия

Электростанция Колумбии ежедневно использует для охлаждения около 24 миллионов галлонов воды из реки Колумбия. Около 1700 галлонов в минуту или 1,872 миллиона галлонов в день возвращается в реку. Каждую минуту через нашу водозаборную конструкцию проходит около 35-40 миллионов галлонов воды.

Что в воде мы возвращаем в реку?

Energy Northwest готовит ежемесячный отчет о мониторинге сбросов для EFSEC, который подтверждает, что вся вода, возвращаемая в реку, соответствует разрешению Национальной системы ликвидации сбросов загрязняющих веществ (NPDES). Разрешение требует, чтобы уровень pH был в допустимых пределах, а содержание галогенов почти не обнаруживалось, не более 0,1 миллиграмма на литр. Energy Northwest также контролирует содержание меди, хрома и цинка в соответствии с условиями разрешения. Допустимые уровни для хрома составляют 8,2 микрограмма на литр и 53 микрограмма на литр для цинка, а для меди ограничений нет. Существующее разрешение устанавливает нулевой стандарт для полихлорированного дифенила и стандарт необнаружения для 126 приоритетных загрязнителей. Примечание: хром и цинк уже присутствуют в реке Колумбия.

Компания Energy Northwest полностью соблюдает все экологические нормы, касающиеся сброса оборотной воды.​

​

Система очистки охлаждающей воды — открытый и закрытый контур

  1. Домашняя страница
  2. Решения

Максимизация эффективности теплопередачи, сохранение критически важных активов, минимизация потребления воды, соблюдение экологических норм и рациональное использование, а также снижение рисков патогенов для здоровья человека при минимизации общей стоимости операций — вот общие бизнес-результаты, к которым стремятся владельцы и операторы систем охлаждения. .

Kurita America предлагает интегрированные решения для охлаждающей воды мирового класса для промышленных, коммерческих и институциональных клиентов. Системы водяного охлаждения включают открытые испарительные градирни, обслуживающие промышленное технологическое охлаждение, испарительные конденсаторы, системы ОВКВ, а также замкнутые и прямоточные. Мы работаем с вами на каждом этапе, включая варианты предварительной обработки, подходы к очистке, безопасное обращение и хранение химикатов для обработки, передовые технологии мониторинга и контроля Интернета вещей (IoT), а также планы обслуживания.

Химии мирового уровня

Химические составы охлаждающей воды предназначены для подавления коррозии, минимизации образования накипи/отложений и контроля нежелательного микробиологического роста. Портфолио химических технологий Kurita America включает:

  • Биоциды
  • Диспергаторы
  • Защита от отложений/накипи/коррозии
  • Контроль «белой ржавчины»
  • Удаление отложений в режиме онлайн
  • Пеногасители
  • Программы щелочной обработки
  • Контроль биопленки
  • Предпусковая очистка и пассивация
  • Укладка системы (влажная и сухая)
  • Технология Cetamine® для защиты от коррозии

Неизменные инвестиции Kurita в исследования и разработки продолжают создавать новые химические технологии для предотвращения и управления коррозией, образованием накипи и обеспечения безопасности воды, связанной с распространением патогенных бактерий, таких как Легионелла пневмофила.