Мир льда

Введение

Актуальность и практическая значимость данной темы связана с тем, что на Земле нет более распространенного вещества, чем вода в жидкой и твердой фазах. Во Вселенной, в том числе в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. По мнению ряда ученых, жизнь на Земле тоже появилась благодаря льду – космическому. Вместе с тем, свойства этого простого вещества не до конца понятны и изучены.

Цель данной работы – рассмотрение отдельных физических свойств льда.

Задача работы – сбор материалов по выбранной теме, проведение экспериментов по изучению ряда свойств льда.

Практическая ценность (значимость) работы заключается в исследовании некоторых аномальных свойств льда (определение удельной теплоты плавления, увеличение объема воды при кристаллизации). Кроме того, проведены наблюдения за процессом вытеснения примесей при кристаллизации льда, на котором основано очищение воды методом замораживания – оттаивания.

Методы работы: изучение литературы по выбранной теме, наблюдения, эксперимент.

Теоретическая часть

1. Разновидности льда

Лёд - это вода  в твёрдом состоянии (твёрдой фазе). Основные запасы льда на Земле составляют около 30 млн. куб. км и сосредоточены в полярных странах. Различают: атмосферный (снег, иней, град), водный, ледниковый и подземный лёд. Атмосферный лёд - ледяные частицы, взвешенные в атмосфере или выпадающие в виде осадков.

Снег - атмосферные осадки, состоящие из мелких кристалликов льда.

Град - атмосферные осадки в виде частичек льда круглой или неправильной формы. Град выпадает в тёплое время года обычно при ливнях и грозах.

Иней – тонкий неравномерный слой ледяных кристалликов, образующихся из водяного пара при охлаждении земной поверхности до отрицательных температур, боле низких, чем температура воздуха.

Ледяной покров – сплошной лёд, образующийся в холодное время года на поверхности воды. В высокоширотных областях существует весь год. Подземные льды – льды, находящиеся в верхних слоях земной коры. Ледниковый лёд – монолитная ледяная порода, слагающая ледник.  Образуется из скопления снега, в результате его уплотнения.

Морской лёд – лёд, образующийся в море в результате замерзания морской воды, отличается от речного льда солёностью.

2. Физические свойства льда

Лёд - кристаллическое вещество без цвета, вкуса и запаха. При атмосферном давлении лёд образуется и плавится при 0С. Химическая формула – H2O.

В начале 20 века было открыто явление полиморфизма льда (способность льда к разному кристаллическому строению с разными физическими свойствами). В настоящие время известны 15 кристаллических и 3 аморфных разновидности льда. В природе существует лишь одна разновидность, хорошо нам знакомая. Остальные получают, моделируя условия, существующие в космосе или в недрах нашей планеты.

У льда (обычного) каждая молекула H2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковом расстоянии от неё и размещенными в вершинах правильного тетраэдра. Фиксированное положение занимают только атомы кислорода. Два атома водорода могут занимать различные положения на четырёх связях молекулы H2O  с другими соседями. У воды нет такой упорядоченной структуры, расположение её молекул всё время меняется. Но в любой момент времени её окружают от 4 до 5 «соседок», то есть молекулы располагаются теснее, чем у льда. Поэтому плотность воды больше.  Плотность льда 916, 7 кг/м3., а воды 999,8 кг/м3. Вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объем примерно на 9%. Лёд, будучи легче воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды. Это аномалия. Другие вещества, замерзая, сжимаются.

У льда низкая теплопроводность, которая незначительно увеличивается с повышением температуры. Удельная теплоёмкость льда 2100Дж/ кг °С .

Чтобы растопить лёд, нужно очень много тепла. Удельная теплота плавления льда 3,4۰105Дж/кг. Исключительно большое значение теплоты плавления – тоже аномальное свойство. При образовании льда, то есть при замерзании воды, такое же количество теплоты выделяется. Зимой, когда образуется лёд и выпадает снег, это тепло подогревает землю и воздух.

Температура плавления льда повышается с ростом давления, поэтому он плавится под действием механической нагрузки, а потом смерзается. Это явление называется режеляцией. Большое значение режеляция имеет зимой на железных дорогах. При небольшом снегопаде  в безветренную погоду выпадающий снег не нарушает нормального движения железнодорожного состава. Под колёсами вагонов возникает значительное давление, и снег плавится, но как только вагон минует данное место плавления, вода на нём превращается в лёд. Режеляция обеспечивает работу ледяных дорог, прокладываемых в горах.

Природный лёд обычно чище, чем вода, так как при кристаллизации растущий кристалл льда всегда стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру. Поэтому даже самые грязные лужи покрываются прозрачным чистым льдом. В планетарном масштабе именно эта способность льда играет роль гигантского очистительного процесса – вода на земле всё время очищает себя.

Лёд – твёрдое вещество. Но он  может медленно изменять форму, обладает текучестью – способностью деформироваться под механическим напряжением. Текучесть льда в 106 раз больше, чем у горных пород. Благодаря этому лёд не накапливается в одном месте, а в виде ледников постоянно перемещается. Некоторые гималайские ледники движутся со скоростью 2 – 3 м в сутки.

В Антарктиде  толстые слои льда из-за больших снегопадов постепенно «перетекают» к морю. Там они начинают подтаивать и размываться морской водой, пока, наконец, от них не отламываются огромные горы – айсберги. Основная масса айсбергов – пресный чистейший лед. Если раньше люди видели в них лишь угрозу, то теперь положение изменилось. Основная задача – использовать эти гигантские ледяные «консервы» как источники водоснабжения.

Чистый лёд прозрачен для световых лучей. Включения (воздушные пузырьки, солевой рассол, пыль) рассеивают лучи, значительно уменьшая прозрачность льда. Абсолютный показатель преломления льда равен 1,31(немного меньше, чем у воды).

В последние годы было открыто много неожиданного, о чем раньше и предполагать было нельзя. Лед оказался полупроводником, а не диэлектриком. При замерзании воды на границе между льдом и водой возникает разность потенциалов, достигающая десятков вольт.

3. Снег

В японских садах можно встретить необычный каменный фонарь, увенчанный широкой крышей с загнутыми краями. Это «Юкими - Торо», фонарь для любования снегом. Изменчивость снега почти таинственна. Она интересна для физиков и не менее привлекательна для поэтов и писателей, композиторов и художников. Поэт С.Г.Островой как – то сказал, что снег завораживает, притягивает к себе подобно какому – то магниту.

 Тайну снежных кристаллов мечтали разгадать многие ученые: немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер, физик, физиолог и философ Рене Декарт. Наиболее полное исследование снежинок и их разновидностей опубликовал в середине 20 века японский физик – ядерщик Укичиро Накая. Значительную часть своей жизни посвятил исследованию снежинок Кеннет Либбрехт (Калифорнийский технологический институт США). Он научился выращивать снежинки в лабораторных условиях и даже управлять их формой.

Снежинки зарождаются в облаках, конденсируясь из водяных паров в виде крохотных капелек. Капельки остывают до температуры ниже 0 С, но не замерзают (переохлажденная вода). Их кристаллизация начинается тогда, когда они сталкиваются с мельчайшими частицами пыли и льда, содержащимися в облаках. Будущие снежинки вначале очень малы, не более 0,1 мм в диаметре. Они падают вниз и растут за счет сублимации (конденсации водяного пара на поверхности ледяного кристалла). Симметрия снежинки объясняется строением кристаллической решетки. Основной кристалл имеет форму правильного шестиугольника. На его вершинах затем осаждаются новые кристаллы, на них - новые, и так получаются разнообразные формы звездочек- снежинок. Опускаясь на землю, снежинка проходит разные температурные слои. Постоянное чередование температуры, ветра изменяют облик снежинки, превращая ее в уникальное творение природы. Существует такое разнообразие снежинок, что обычно считается, что не бывает двух одинаковых. Самая крупная снежинка была засвидетельствована 28 января 1887 года  во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США; она имела диаметр 38см. Обычно же снежинки имеют около 5мм в диаметре при массе 0,004г.

Лед прозрачен. Снег же, который состоит из микроскопических кристалликов льда, непрозрачен. Белый цвет снега происходит от заключенного в нем воздуха. Свет многократно преломляется в ледяных кристаллах и отражается от их граней, не поглощаясь, а рассеиваясь в воздухе.

У снега очень высокая отражательная способность (0,95). Он подобен громадному зеркалу. Снежное покрывало, которое принято считать теплым, спасающим от морозов растения и животных, в  масштабах всей Земли способствует охлаждению планеты, надолго изолируя от солнечных лучей обширные территории.

Снег поразительно изменчив. Все его физические свойства не могут долго сохраняться. Меняется все, вплоть до структуры, формы и размеров снежинок. Так плотность снега изменяется от 0,1 до 0,7 г/см3.  При дальнейшем увеличении плотности снег превращается в лед .

Ограниченный объем работы не позволяет рассмотреть другие интересные свойства льда и снега, их изучено очень много. И многое еще предстоит изучить.

Исследовательская часть

Эксперимент 1. Определение удельной теплоты плавления льда.

Цель: определить удельную теплоту плавления льда калориметрическим методом.

Оборудование: калориметр, рычажные весы с разновесами, термометр, мензурка, фильтровальная бумага, лед.

Ход эксперимента.

Во внутренний стакан калориметра, предварительно определив его массу mk  взвешиванием, вливается 100 г воды. Лед, расколотый на кусочки, кладется на фильтровальную бумагу.

Измеряется температура воды во внутреннем стакане калориметра t1,  в нее бросается обсушенный лед. Когда лед растает, измеряется температура t2.

mk= 0,0447 кг, mв=0,1 кг, mл=0,0119 кг

t1=20°C, t2=10°C,  t1=t1-t2=10°C,  t2=t2-0°C=10°C

(ckmk + cвmв)  t1= mл+ cвmл t2

λ = (920 Дж/кг°С 0,0447 кг + 4190Дж/кг °С 0,1 кг) 10°С –

                         0,0119кг

- 4190Дж/кг°С  0,0119 кг 10°С

                 0,0119кг                                    ≈ 3.43 105 Дж/кг

Вывод: полученное значение удельной теплоты плавления льда близко к табличному.

Эксперимент 2.

Изменение объема воды при замерзании.

Цель: сравнить объёмы воды и полученного из неё льда.

Оборудование: пробирка, вода, линейка.

Ход эксперимента.

1.Налили в пробирку воду. Измерили высоту столбика жидкости h1=50 мм

2.Поместили пробирку в морозильную камеру холодильника до полного замерзания воды.

3.Вынув пробирку, измерили высоту столбика льда h2= 55 мм

     4. V1=Sh1; V2 =Sh2 , где V1- объём воды, V2 – объём льда

          S – площадь дна пробирки

Вывод: объём воды при замерзании увеличивается, что приводит к уменьшению плотности льда по сравнению с водой.

Эксперимент 3. Наблюдение сублимации льда.

Цель: провести наблюдение за изменением объема льда в результате сублимации.

Оборудование: химический стакан, линейка, термометр.

Сублимация – переход вещества из твердого состояния в газообразное (минуя жидкое).

Ход эксперимента.

Химический стакан с водой помещался в морозильную камеру холодильника. Когда вода замёрзла, была измерена высота столбика льда в стакане: h1 = 62мм.  После этого стакан со льдом был снова помещен в морозильную камеру.  Повторное измерение высоты столбика льда проводилось через месяц: h2 = 60мм. t= - 14 C – температура в морозильной камере.

Вывод: в результате сублимации объём льда, а, значит, и его масса  уменьшаются.

Эксперимент 4. Режеляция.

Цель: наблюдение явления режеляции.

Оборудование: прямоугольный кусок льда, тонкая стальная проволока, набор грузов в пакетах(3,2 кг в каждом пакете), штатив с муфтой и лапкой.

Ход эксперимента.

Кусок льда  положили на лапку штатива. Примерно посередине куска через него перебросили проволоку с прикрепленными к ней грузами.  Под действием давления лед под проволокой начал плавиться. Однако по мере углубления проволоки в лед он сразу же за проволокой смерзается.

Вывод: пронаблюдали явление режеляции

Эксперимент 5. Определение плотности снега

Цель: определить плотность снега

Оборудование: снег, весы рычажные с разновесами, стакан от калориметра.

                                              Ход эксперимента.

        Масса стакана со снегом m1, г        Масса стакана m2, г        Масса снега

m, г        Объём стакана V, см3        Темп. t,  ˚C        Плотность

снега  

        104, 9        37, 7        67, 2        350         -5        0,19

через

3 дня        118        37,7        80,3        350        -12        0,23

через

6 дней        141        37,7        103,3        350        -18        0,3

Вывод: плотность снега непостоянна. С течением времени она увеличивается.

Эксперимент 6. Кристаллизация воды при наличии примесей

Цель: провести наблюдения за кристаллизацией подкрашенной воды

Оборудование: химический стакан с подкрашенной водой

                                              Ход эксперимента.

1.Стакан с подкрашенной водой убирается в морозильную камеру холодильника (Фото 3).

2.Через 2 часа наблюдается появление вверху стакана участков с чистым льдом. Ниже располагается не до конца замерзшая вода

3.Через 4 часа вода полностью замерзает. Примеси концентрируются в центре стакана и на дне, а вокруг – чистая вода

Вывод: при кристаллизации происходит очищение подкрашенной воды

Заключение

В ходе работы мной были исследованы некоторые аномальные свойства льда: определена необычайно большая удельная теплота плавления этого вещества; экспериментально доказано, что объем воды увеличивается при кристаллизации.

Я познакомилась с ранее неизвестными явлениями – режеляцией и сублимацией, узнала о самоочищении воды от примесей при ее кристаллизации.

Конечно, все это было давно известно и исследовано. Но для меня стало открытием. Поэтому работать мне было очень интересно. Результаты моей работы (некоторые эксперименты) могут быть использованы на уроках физики.

Литература:

1.Георг Шпрокхоф “Эксперимент по курсу элементарной физики. Часть 3” Просвещение М 1965

2.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%DB%D0%B5%D0%B3

3.http://wsyachina.narod.ru/physics/ice.html

4.http://www.class-fizika.ru/7_led.htm

5.http://wsyachina.narod.ru/earth_sciences/snow_3.html

6.http://wsyachina.narod.ru/physics/snow_2.html