DE CE ICE alunecos?
Aflați ce puteți aluneca pe gheață, oamenii de știință au încercat în ultimii 150 de ani. În 1849, frații James și Vilyam Tomson (Lord Kelvin) a înaintat ipoteza că gheața se topește sub noi, pentru că suntem la ea apăsăm. Și așa că nu aluneca pe gheață, și în filmul rezultat de apă pe suprafața sa.
Într-adevăr, în cazul în care creșterea de presiune, temperatura de topire a gheții scade. Acest lucru se întâmplă pentru un motiv bun. Este cunoscut faptul că densitatea de gheață mai mică decât apa și, prin urmare, atunci când gheața este comprimat, acesta încearcă să reducă deformarea cauzată de presiunea tot mai mare, scade punctul de topire. Aceasta este una dintre manifestările așa-numitul principiu Le Chatelier lui - „Sistemul deducând influență externă de la echilibru termodinamic, determinându-l procesează, căutând să slăbească rezultatele acestei acțiuni.“
Cu toate acestea, așa cum se arată prin experimente (vezi. Figura de mai sus), pentru a scădea punctul de topire a gheții pe grad necesar pentru a crește presiunea la 121 atmosfere (12,2 MPa). Încearcă să calculeze cât de mult atlet presiune exercită pe gheață când alunecă peste creasta pe o lungime de 20 cm și o grosime de 0,3 cm. Presupunând că greutatea de 75 kg atlet, presiunea pe gheata de aproximativ 12 atmosfere. Astfel, în picioare pe patine, vom putea cu greu să reducă punctul de topire al gheții este mai mare de 0,1 ° C Deci, explica alunecare pe gheață în patinelor și, în plus, pantofi regulate, bazate pe principiul Le Chatelier, imposibil, dacă fereastra este, de exemplu, -10 ° C,
Câte feluri (faze) de gheață?
ice amorfa nu are nici o structură cristalină. Ea există în trei forme: o densitate mică de gheață amorf (LDA), care este format la presiunea atmosferică și mai jos, o gheață de înaltă densitate amorfă (HDA) gheață amorfă și densitate foarte mare (VHDA), formate la presiuni ridicate. LDA gheață produsă răcirea rapidă a apei lichide ( „sverhohlazhdonnaya vitros apa», HGW) sau prin condensarea vaporilor de apă pe substrat foarte rece ( „apă solid amorf», ASW), sau prin încălzire sub formă vysokoplotnostnyh gheață sub presiune normală ( «LDA») .
Normal gheață cristalină hexagonală. Aproape toată gheața de pe Pământ datează de gheață Ih. și doar o foarte mică parte - la gheață Ic.
Metastabilă gheață cristalin cubic. Atomii de oxigen sunt aranjate în rețeaua cristalină de diamant.
A fost preparată la o temperatură cuprinsă între -133 ° C până la -123 ° C, rămâne stabil până la -73 ° C, dar la încasările de încălzire suplimentare la gheață Ih. El rar găsit în atmosfera superioară.
gheață cristalină trigonală cu o structură extrem de ordonată. Iso Ih gheața formată în timpul comprimării și temperaturi de la -83 ° C până la -63 ° C, Când este încălzit, se transformă în gheață III.
gheață tetragonal cristalin care are loc cu apă de răcire la -23 ° C și o presiune de 300 MPa. Densitatea ei este mai mare decât cea a apei, dar este mai puțin densă a tuturor soiurilor de gheață în zona de înaltă presiune.
gheață metastabilă trigonal. Este dificil să se obțină fără semințe de nucleație.
gheață cristalină monoclinic. Aceasta are loc cu apă de răcire la -20 ° C și o presiune de 500 MPa. Ea are cea mai complexă structură în comparație cu toate celelalte modificări.
gheață cristalină tetragonală. Este format cu apă de răcire la -3 ° C și o presiune de 1,1 GPa. În ea apare relaxarea Debye.
modificare cilindrică. Perturbata atomi de hidrogen; localizare Se manifestă în materie de relaxare Debye. legături de hidrogen formează două Grile interpenetrante. Această gheață refractar: la o presiune de 40.000 atmosfere. se topește la o temperatură de 175 ° C, la o presiune de 20 GPa (200 mii. atm.) gheață VII se topește la 400 ° C
Mai comandat gheață VII variantă, în care atomii de hidrogen ocupă este în mod evident poziții fixe. Formată gheață VII când este răcit sub 5 ° C
modificare tetragonală metastabilă. Treptat gheața III format în timpul răcirii de la -65 ° C până la -108 ° C, este stabil la temperaturi sub -133 ° C și presiuni cuprinse între 200 și 400 MPa. Densitatea sa este de 1,16 g / cm, adică puțin mai mare decât gheață obișnuită.
ice Symmetrical cu un aranjament ordonat de protoni. Formată la presiuni de aproximativ 70 GPa.
formă ortorombică echilibru de temperatură scăzută de gheață hexagonale. Este feroelectrice.
Modificarea cristalină tetragonală metastabilă Dens. Observată în spațiul de fază de gheață și gheață V VI. Este posibil să se obțină o gheață amorfă de înaltă densitate, prin încălzire de la -196 ° C până la aproximativ -90 ° C și la o presiune de 810 MPa.
varietate cristalină monoclinică. Se obține prin răcirea apei sub -143 ° C și o presiune de 500 MPa. O variație V cu gheață ordonat aranjament de protoni.
varietate de cristal rombic. Se obține la o temperatură sub -155 ° C și o presiune de 1,2 GPa. Varietate de XII gheață, cu un aranjament ordonat de protoni.
Varietate de gheață VI cu un aranjament ordonat de protoni. Pot fi primite de lent răcire cu gheață VI la aproximativ -143 ° C și o presiune de 0,8-1,5 GPa.
Noua formarea de gheață studii de apă pe o suprafață plană de cupru, la temperaturi de la -173 ° C până la -133 ° C a arătat că inițial apar pe suprafața lățimii moleculelor de lanț de aproximativ 1 nm nu este structuri hexagonale și pentagonale.
Fictiv ice-nouă - materialul descris pisatelem- ficțiune Kurt Vonnegut roman „Cradle Cat“ - o apă modificare polimorfă mai rezistentă decât gheață obișnuite (care se topește la o temperatură de 0 grade Celsius). Se topește la temperatura de 114,4 ° F (
45,8 ° C), iar la contactul cu apa lichid rece se comportă ca un punct de cristalizare pentru contactarea apei cu acesta, care se solidifică rapid și, de asemenea, se transformă în gheață nouă. Astfel, o dată în orice corp de apă, într-un fel care comunică cu oceanul lumii (de fluxuri, mlaștini, râuri și surse subterane și altele) cu gheață nouă ar putea provoca cristalizarea cea mai mare parte a apei de pe Pământ, iar mai târziu - distrugerea vieții pe planetă. Vonnegut a venit cu această substanță în timp ce lucrează la General Electric. Când a scris acest roman, era cunoscut doar opt modificări ale cristalului de gheață.
Deoarece există diferite izotopi care apar natural de hidrogen și oxigen, există diferite tipuri și apă (respectiv și gheață). Formal posibil „apă“, luând în considerare toți cunoscuți izotopi ai hidrogenului (7) și oxigen (17) este 476. Cu toate acestea, aproape toate dezintegrare radioactivă a izotopilor de hidrogen și oxigen are loc în câteva secunde sau fracțiuni de secundă (excepție importantă este tritiu timp de înjumătățire de peste 12 ani) . Deci, este logic să vorbim despre 9 modificări stabile non-radioactive apă și 9 slab radioactive. Apa grea este transformată în D2O la gheață +3,81 ° C, și fierbe la 101,43 ° C Supergreu T2 O apă slab radioactivă îngheață la 9 ° C, și fierbe la 104 ° C,
Reprezentarea schematică a cristalului de gheață în adâncimea sa (jos) și pe suprafața sa.
Plasat pe suprafața de gheață moleculele de apă sunt situate în condiții speciale, deoarece forțele care le cauzează să fie în unități ale rețelei hexagonale, acționează asupra lor numai de mai jos. Prin urmare, moleculele de suprafață este în valoare de nimic „pentru a se sustrage sfatul“ de molecule în structură, iar dacă se întâmplă acest lucru, atunci aceeași decizie veni mai multe straturi de suprafață a moleculelor de apă. Ca rezultat, gheața formată pe suprafața filmului lichid, care servește ca o bună lubrifiere alunecare. De altfel, fluidul film subțire format nu numai pe suprafața de gheață, dar, de asemenea, unele alte cristale, cum ar fi plumbul.
grosimea stratului de lichid crește odată cu creșterea temperaturii, deoarece energia termică mai mare a moleculelor de latici hexagonale trage straturi mai mari de suprafață. Conform unora grosime a peliculei de apă pe suprafața de gheață, care este egală cu -5 grade la 100 nm, la -35 grade scade de zece ori - până la 10 nm și -170 grade atunci când este formată în general dintr-un singur strat de molecule. Astfel, locuitorii din regiunea arctică spun că glisarea sănii pe gheață la temperaturi foarte scăzute la fel ca și trăgându-le pe nisip (deoarece, în acest caz, un pic de grăsime).
Prezența impurităților (altele decât apa molecule) previne, de asemenea, straturile de suprafață ale formei zăbrele cristaline. Prin urmare, pentru a crește grosimea peliculei de lichid poate fi dizolvat în ea sau orice impurități cum ar fi sare comună. Acestea și se bucură de serviciu public, atunci când lupta în timpul iernii cu drumuri inghetate si trotuare.
Din cartea KY lui Bogdanov „Walking cu fizica.“
Konstantin Bogdanov, Pământul (Sol III).