Što čini led tako skliskim.

Kako bi otkrili zašto je moguće klizati po ledu, znanstvenici pokušavaju zadnjih 150 godina. Godine 1849. braća James i William Thomson (Lord Kelvin) iznijeli su hipotezu da se led ispod nas otapa jer mi pritiskamo na njega. I tako više ne kližemo po ledu, već po formiranom vodenom filmu na njegovoj površini.

Doista, ako se tlak poveća, točka topljenja leda će se smanjiti. Evo zašto se to događa. Poznato je da je gustoća leda manja od gustoće vode, pa stoga, kada se led komprimira, on, nastojeći smanjiti deformacije uzrokovane porastom tlaka, snižava točku taljenja. To je jedna od manifestacija takozvanog Le Chatelierovog načela - "Vanjski utjecaj koji dovodi sustav izvan termodinamičke ravnoteže uzrokuje u njemu procese koji nastoje oslabiti rezultate tog utjecaja."

Međutim, kako su eksperimenti pokazali (vidi gornju sliku), da bi se talište leda snizilo za jedan stupanj, potrebno je povećati tlak na 121 atmosferu (12,2 MPa). Pokušajmo izračunati koliki je pritisak sportaša na led kada klizi po njemu na jednoj klizaljki duljine 20 cm i debljine 0,3 cm.Ako pretpostavimo da je masa sportaša 75 kg, tada će njegov pritisak na led biti oko 12 kg. atmosfere. Dakle, stojeći na klizaljkama teško možemo sniziti talište leda za više od 0,1 °C. To znači da je nemoguće objasniti klizanje po ledu u klizaljkama, a pogotovo u običnim cipelama, na temelju Le Chatelierovog principa, ako izvan prozora, na primjer -10 o C.

	Koliko vrsta (faza) leda postoji?
Faza	Karakteristike
amorfni led	Amorfni led nema kristalnu strukturu. Postoji u tri oblika: amorfni led niske gustoće (LDA), koji nastaje pri i ispod atmosferskog tlaka, amorfni led visoke gustoće (HDA) i amorfni led vrlo visoke gustoće (VHDA), koji nastaje pri visokim pritiscima. LDA led nastaje vrlo brzim hlađenjem tekuće vode ("supercooled glassy water", HGW), ili kondenzacijom vodene pare na vrlo hladnoj podlozi ("amorphous solid water", ASW), ili zagrijavanjem oblika leda visoke gustoće pri normalnom tlaku ("LDA") .
Led I h	Obični šesterokutni kristalni led. Gotovo sav led na Zemlji pripada ledu I h , a samo vrlo mali dio pripada ledu I c .
Led I c	Metastabilni kubični kristalni led. Atomi kisika raspoređeni su kao u kristalnoj rešetki dijamanta. Dobiva se na temperaturama od -133 °C do -123 °C, ostaje stabilan do -73 °C, a daljnjim zagrijavanjem prelazi u led I h . Rijetko se nalazi u gornjim slojevima atmosfere.
Led II	Trigonalni kristalni led s visoko uređenom strukturom. Nastaje iz leda I h pri kompresiji i temperaturama od -83 °C do -63 °C. Zagrijavanjem se pretvara u led III.
Led III	Tetragonalni kristalni led, koji nastaje kada se voda ohladi na -23 °C i tlak od 300 MPa. Njegova gustoća je veća od gustoće vode, ali je najmanje gustoća od svih vrsta leda u zoni visokog tlaka.
Led IV	Metastabilni trigonalni led. Teško ga je dobiti bez sjemena za nukleaciju.
led V	Monoklinički kristalni led. Nastaje kada se voda ohladi na -20 ° C i tlak od 500 MPa. Ima najsloženiju strukturu u usporedbi sa svim ostalim modifikacijama.
Led VI	Tetragonalni kristalni led. Nastaje kada se voda ohladi na -3 °C i tlak od 1,1 GPa. Očituje se Debye opuštanje.
Led VII	Kubična modifikacija. Raspored atoma vodika je poremećen; očituje se u materiji Debye opuštanje. Vodikove veze tvore dvije međusobno prožimajuće rešetke. Ovo je vatrostalni led: pri tlaku od 40 000 atm. topi se na temperaturi od +175 °C, pri tlaku od 20 GPa (200 tisuća atm.), led VII se topi na temperaturi od 400 °C.
Leda VIII	Uređenija verzija leda VII, gdje atomi vodika zauzimaju naizgled fiksne položaje. Nastaje od leda VII kada se ohladi ispod 5 °C.
Led IX	Tetragonalna metastabilna modifikacija. Postupno nastaje od leda III kada se ohladi od -65 °C do -108 °C, stabilan na temperaturama ispod -133 °C i pritiscima između 200 i 400 MPa. Njegova gustoća je 1,16 g / cm³, što je nešto više od običnog leda.
led X	Simetrični led s uređenim rasporedom protona. Nastaje pri tlaku od oko 70 GPa.
Ledena XI	Rombični niskotemperaturni ravnotežni oblik šesterokutnog leda. To je feroelektrik.
Led XII	Tetragonalna metastabilna gusta kristalna modifikacija. Promatra se u faznom prostoru leda V i leda VI. Može se dobiti zagrijavanjem amorfnog leda visoke gustoće od -196 °C do oko -90 °C i pri tlaku od 810 MPa.
Led XIII	Monoklinska kristalna varijanta. Dobiva se hlađenjem vode ispod -143°C i tlakom od 500 MPa. Raznolikost leda V s uređenim rasporedom protona.
Led XIV	Rombična kristalna varijanta. Dobiva se na temperaturi ispod -155 °C i tlaku od 1,2 GPa. Raznolikost leda XII s uređenim rasporedom protona.
Led XV	Raznolikost leda VI s uređenim rasporedom protona. Može se dobiti polaganim hlađenjem leda VI na oko -143 °C i tlaka od 0,8-1,5 GPa.
	Nova istraživanja stvaranja vodenog leda na ravnoj površini bakra na temperaturama od -173 °C do -133 °C pokazala su da se prvi lanci molekula širine oko 1 nm pojavljuju na površini peterokutne, a ne heksagonalne strukture.
	Izmišljeni led-devet - materijal koji je pisac znanstvene fantastike Kurt Vonnegut opisao u romanu Mačja kolijevka - polimorfna modifikacija vode, otpornija od običnog leda (topi se na 0 stupnjeva Celzijusa). Topi se na 114,4°F (~45,8°C) i nakon kontakta s hladnijom tekućom vodom ponaša se kao središte kristalizacije za vodu u kontaktu s njom, koja se brzo skrutne i također pretvori u led-devet. Dakle, dolaskom u bilo koje vodeno tijelo, na ovaj ili onaj način komunicirajući sa Svjetskim oceanom (kroz potoke, močvare, rijeke, podzemne izvore itd.), led-devet bi mogao uzrokovati kristalizaciju većine vode na Zemlji, a zatim i smrt života na planeti. Vonnegut je došao do ove tvari dok je radio u General Electricu. Kad je napisao ovaj roman, bilo je poznato samo osam kristalnih modifikacija leda.
	Budući da u prirodi postoje različiti izotopi vodika i kisika, postoje i različite vrste vode (odnosno leda). Formalno, postoji 476 mogućih "voda", uzimajući u obzir sve poznate izotope vodika (7) i kisika (17). Međutim, raspad gotovo svih radioaktivnih izotopa vodika i kisika događa se u sekundi ili djeliću sekunde (an važna iznimka je tricij, čije je vrijeme poluraspada više od 12 godina). Stoga ima smisla govoriti o 9 stabilnih neradioaktivnih modifikacija vode i 9 slabo radioaktivnih. Teška voda D 2 O prelazi u led na +3,81 °C i vrije na 101,43 °C. Superteška slabo radioaktivna voda T 2 O smrzava se na +9 °C, a vrije na 104 °C.

Godine 1939., kada je postalo jasno da se skliskost leda ne može objasniti snižavanjem temperature taljenja, F. Bowden (Bowden) i T. Hughes (Hughes) sugerirali su da toplinu potrebnu za topljenje leda ispod grebena osigurava sila trenja. Međutim, ova teorija nije mogla objasniti zašto je tako teško čak i stajati na ledu bez kretanja. Od ranih 1950-ih znanstvenici su počeli vjerovati da je led sklizak zbog tankog sloja vode koji se iz nepoznatog razloga stvorio na njegovoj površini. To je proizašlo iz eksperimenata u kojima se proučavala sila potrebna za odvajanje ledenih kuglica koje su se dodirivale. Pokazalo se da što je temperatura niža, to je za to potrebna manja sila (vidi sliku ispod). To znači da se na površini kuglica nalazi tekući film čija se debljina povećava s temperaturom, kada je ona još puno niža od tališta. Inače, tako je mislio i M. Faraday još 1859. godine, bez ikakve osnove za to.

Tek u kasnim 1990-ima studije o tome kako led raspršuje protone, X-zrake i AFM mikroskopija pokazale su da njegova površina nije uređena kristalna struktura, već nalik tekućini (vidi sliku u nastavku). Oni koji su proučavali površinu leda pomoću NMR-a došli su do istog rezultata. Pokazalo se da se molekule vode u površinskim slojevima leda mogu okretati frekvencijama 100.000 puta većim od istih molekula, ali u dubini kristala. To znači da molekule vode na površini više nisu u kristalnoj rešetki.

Shematski prikaz kristala leda u njegovoj dubini (dno) i na površini.

Molekule vode koje se nalaze na površini leda nalaze se u posebnim uvjetima, jer sile koje ih prisiljavaju da budu u čvorovima heksagonalne rešetke djeluju na njih samo odozdo. Stoga površinske molekule ne moraju "izbjeći savjete" molekula u rešetki, a ako se to dogodi, tada nekoliko površinskih slojeva molekula vode odjednom dolazi do iste odluke. Zbog toga se na površini leda stvara tekući film koji služi kao dobro mazivo pri klizanju. Usput, tanki tekući filmovi se formiraju ne samo na površini leda, već i na nekim drugim kristalima, na primjer, olova.

Debljina tekućeg filma raste s povećanjem temperature, budući da veća toplinska energija molekula izvlači više površinskih slojeva iz heksagonalne rešetke. Prema nekim izvješćima, debljina vodenog filma na površini leda, jednaka 100 nm na -5 stupnjeva, smanjuje se deset puta na -35 stupnjeva - do 10 nm, a na -170 stupnjeva općenito se sastoji od jednog sloja molekula . Dakle, stanovnici Arktika kažu da je vući sanjke po ledu na vrlo niskim temperaturama isto što i vući ih po pijesku (uostalom, u ovom slučaju ima malo podmazivanja).

Prisutnost nečistoća (molekula osim vode) također sprječava površinske slojeve od stvaranja kristalnih rešetki. Stoga je moguće povećati debljinu tekućeg filma otapanjem nekih nečistoća u njemu, na primjer, obične soli. To je ono što komunalci koriste kada se zimi bore sa poledicom cesta i nogostupa.

Iz knjige K.Yu. Bogdanov hoda s fizikom.

Konstantin Bogdanov, Zemlja (Sol III).

Dakle, led je sklizak upravo zato što njegova molekularna priroda osigurava prisutnost tankog sloja vode na površini, koji djeluje kao lubrikant. Kako temperatura pada, led gubi svojstvo "skliskosti".

Prema materijalima:

Zašto je led sklizak?

Lakše se poskliznuti na glatko izribanom podu nego na običnom. Čini se da bi se ista stvar trebala dogoditi na ledu, tj. glatko, nesmetano led bi trebao biti skliskiji od kvrgavog, grubog leda.

Ali ako ste ikada vozili opterećene ručne sanjke po neravnom, grbavom ledu, možete vidjeti da su, suprotno očekivanjima, sanjke osjetno lakše klizile na takvoj podlozi nego na glatkoj. Hrapavi led je skliskiji od zrcalno glatkog leda! To je zbog činjenice da skliskost leda ne ovisi uglavnom o glatkoći, već o vrlo posebnom razlogu: činjenici da se točka taljenja leda smanjuje s povećanjem tlaka.

Sada se možemo vratiti na pitanje je li glatki ili grubi led skliskiji. Znamo da isti teret to jače pritišće što je manja površina na koju se naslanja. U kojem slučaju osoba vrši veći pritisak na oslonac: kada stoji na zrcalno glatkom ili hrapavom ledu? Jasno je da u drugom slučaju: uostalom, ovdje se oslanja samo na nekoliko izbočina i kvržica grube površine. A što je veći pritisak na led, to je obilnije otapanje, a samim tim i led je skliskiji (samo ako je klizaljka dovoljno široka; za usku klizaljku koja se reže u neravnine to nije primjenjivo - energija kretanja se ovdje troši na rezanje neravnina).

Smanjenje tališta leda pod značajnim pritiskom objašnjava mnoge druge fenomene svakodnevnog života. Zahvaljujući ovoj osobini leda, pojedinačni komadi leda se međusobno smrzavaju ako se jako stisnu. Dječak, grudvajući se u rukama grudve snijega, nesvjesno koristi upravo to svojstvo ledenih zrnaca (pahuljica) da se smrzavaju pod povećanim pritiskom, čime se snižava njihova temperatura topljenja. Kotrljajući snježnu grudvu za „snjegovićku“, opet koristimo naznačeno svojstvo leda: snježne pahulje na mjestima kontakta, u donjem dijelu kome, smrzavaju se pod težinom mase koja ih pritišće. Sada, naravno, razumijete zašto u jakim mrazevima snijeg formira snježne grude koje se raspadaju, a "žena" je loše oblikovana. Pod pritiskom stopala prolaznika, snijeg na pločnicima postupno se zbija u led: pahulje se smrzavaju u kontinuirani sloj.

Rusija je zemlja u kojoj temperatura zimi može pasti ispod nule u bilo kojem trenutku. To znači da svi koji ovdje žive znaju iz prve ruke da po ledu treba hodati pažljivo - kako se ne bi poskliznuli i ne udarili na petu točku. Ovo je u najboljem slučaju. Traumatologija se bavi onim najgorim, a, vjerujte, tamo im zimi nije dosadno.

Znanstvenici se slažu da je "skliskost" uzrokovana vrlo tankim slojem vode na površini leda. Međutim, ne mogu postići konsenzus zašto se tamo formira. Većina čvrstih materijala nema ovaj sloj, ali led nije tipičan predstavnik ove klase tvari. S tim u vezi, znanstvenici razmatraju opcije vezane uz pritisak, trenje i posebne načine interakcije molekula.

Tradicionalno se vjerovalo da je potrebno malo pritisnuti gornji rub leda da bi se otopio gornji rub leda.

Ovo je dobro ilustrirano na klizaljkama i može se objasniti jednim čudnim svojstvom H2O - led nije tako gust kao tekuća voda. Kada vršite pritisak na led - na primjer, oštricom klizaljke - sustav interakcije nastoji smanjiti pritisak smanjenjem glasnoće. Budući da je voda kompaktnija od leda, njezino talište pada, stvarajući tekućinu, po kojoj, zapravo, klizi oštrica. Nakon što vlasnik sportske opreme zaciči od oduševljenja, voda se ponovno pretvara u led.

Sve se čini vrlo logičnim, ali pitanja ipak ostaju. Čak i za težeg klizača, točka topljenja padne samo nekoliko stupnjeva, što znači da vrlo hladan led mora cijelo vrijeme ostati smrznut. Osim toga, ljudi koji hodaju po ledu u normalnim cipelama i imaju mnogo manji pritisak na led i dalje se kližu. Dakle, druga mogućnost je da trljanje cipela o led stvara dovoljno topline da ga otopi. To je doista točno, ali led ne prestaje biti sklizak ako mirno stojite na njemu, zar ne? Dakle, ni ovo objašnjenje ne odgovara na sva pitanja.

Postoji i treća hipoteza koja se temelji na promatranjima Michaela Faradaya. Pritisnuo je dva komadića leda i primijetio da su zalijepljeni. To mu je omogućilo da zaključi da su tekući slojevi na površini tih komada prestali biti tekući i postali čvrsti led kada su izgubili kontakt sa zrakom. Zahvaljujući tome, moderni znanstvenici već su iznijeli ideju topljenja površine - možda se molekule vode slobodnije kreću na ljusci, jer ih ništa ne pritišće odozgo. Zbog manje stabilnosti imaju dovoljno energije za stvaranje tekućeg sloja čak i pri negativnim temperaturama. Drugim riječima, fizika kaže da je površina leda skliska jer je led sam po sebi sklizak.

Nijedna od opisanih hipoteza nije u potpunosti dokazana niti opovrgnuta, pa se može pretpostaviti da će konačno objašnjenje, koje će nedvojbeno jednom biti dobiveno, biti neka njihova kombinacija. U međuvremenu, zapamtimo da led nisu samo centri trauma i modrice na mekim tkivima, već i mnogi prekrasni sportovi, zabava i dobro zdravlje. Zima je sjajno godišnje doba, uživajte u njoj. I čuvajte se.

Cilj. Razviti kognitivnu i govornu aktivnost.

Zadaci:

1. Upoznati djecu sa svojstvima leda;

2. Prikažite ovisnost sile trenja o prirodi površine, vrijednosti vodenog filma u klizna;

3. Konsolidirati sposobnost primanja informacija tijekom gledanja videa;

donositi zaključke na temelju eksperimenti;

4. Njegujte neovisnost, aktivnost.

predradnje: dizajn prezentacije « Zašto klizaljke klize?» zajedno s roditeljima, smrzavanje leda.

Materijal: oprema za gledanje multimedije; prezentacija « Zašto klizaljke klize?» ; prijenosno računalo "O ledu", komadi papira, flomasteri, kockice leda, plastični tanjuri, čaše s vodom, čekić, mali list stakla.

Napredak tečaja.

I. Organizacijski trenutak (2 minute.)

Odgojiteljica. Zima dolazi. Sjajno doba godine.

Zimushka nam pruža puno divne zabave - zima:

Sanjkamo se. Pravimo snjegovića I zajedno igramo hokej, I letimo s planina na skijama. I vrijeme nam je da idemo u vrtić, A nikako ne želimo. (Autor: Borovleva N. A.)

Svatko od vas ima svoju omiljenu igru. Savely će nam ispričati o svojoj omiljenoj igri zimi.

II. Glavni dio (22 min.)

1. Prezentacija istraživačkog projekta djeteta.

Odgojiteljica. Pažljivo ste slušali priču.

Što mislite, hoćemo li moći ponoviti studij Savelyja? Ili je to bio samo on (odgovori djece)

Dok započinjemo istraživanje, prisjetimo se što moramo naučiti. (odgovori djece)

2. Držanje djeca eksperimentalnih aktivnosti.

Odgojiteljica. Idemo trošiti iskustvo: "Svojstva leda".

Uzmite kocku leda u ruke.

Kakav je izvana?

Kako se osjeća?

Lupkajte po kocki leda čekićem. Što se dogodilo?

Stavite kockicu leda u čašu. Vidjeti hoće li se led otopiti?

Držite kockicu leda na dlanu. Što se događa s ledom?

(djeca izvode manipulacije ledom, odgovaraju na pitanja).

Generalizacija. Led je proziran. Hladan je i gladak na dodir. Istovremeno tvrda i krta. Led ne tone u vodi. Kad se zagrije, lako se pretvara u vodu.

Što mislite, koje od sljedećih svojstava čini led sklizak?

(odgovori djece)

Da bismo ovo pojasnili, usporedimo staklo i led.

Iskustvo« Zašto je led sklizak?»

Djeca zajedno s učiteljem ispituju staklo, uspoređuju njihova vanjska svojstva.

Generalizacija. Staklo i led sličan: staklo, poput leda, prozirno, hladno, glatko. Istovremeno tvrda i krta.

Ali led je više sklizak nego staklo. Zašto?

Da biste odgovorili na ovo pitanje, recite što se tijekom toga događa s površinom leda klizeći po njemu?

Prijeđi prstom po ledu i staklu, što se s njima događa (odgovori djece)

Generalizacija. Kada je izložen, led se lako topi, stvarajući vodu, što pomaže skliznuti, a staklo se ne topi, i stoga klizi po njemu kao led, ne možeš.

3. Dekoracija lapbook djeca"O ledu".

Odgojiteljica. Nacrtajte sve što vas je danas u lekciji posebno zanimalo i više vam se svidjelo.

Djeca crtaju nezaboravne trenutke lekcije, crtaju prijenosno računalo zajedno s učiteljem "O ledu".

III. Završni dio (1 minuta.)

Odgojiteljica. Danas smo održali znanstvenu eksperimenti, zahvaljujući kojem su učili o svojstvima leda; o ovisnosti brzine skliznuti o prirodi površine na kojoj skliznuti; o važnosti vodenog filma u klizna. Navečer svoja znanstvena otkrića podijelite s mamama i tatama.

Lakše se poskliznuti na glatko izribanom podu nego na običnom. Čini se da bi se ista stvar trebala dogoditi na ledu, tj. glatko, nesmetano led bi trebao biti skliskiji od kvrgavog, grubog leda.

Pogledajmo što se događa kada idemo na sanjkanje ili klizanje. Dok kližemo, oslanjamo se na vrlo malu površinu, svega nekoliko četvornih milimetara. I to malo područje potpuno je pritisnuto težinom našeg tijela. Ako se sjećate što je rečeno u drugom poglavlju o pritisku, shvatit ćete da klizač pritišće led velikom snagom. Pod visokim pritiskom, led se topi na niskoj temperaturi; ako, na primjer, led ima temperaturu od -5°, a pritisak grebena je snizio točku taljenja leda koji gaze grebeni za više od 5°, tada će se ti dijelovi leda otopiti [Teoretski, može se izračunati da je potreban prilično značajan pritisak od 130 kg po kvadratnom centimetru. Vrše li sanjke ili klizačica toliki pritisak na led? Ako rasporedite težinu saonica (ili klizača) na površinu staza (ili klizaljki), dobit ćete mnogo manje brojke. To dokazuje da se led graniči leđa o leđa daleko od cijele površine zmije, već samo neznatnim dijelom]. Što se događa? Sada između klizaljki i leda postoji tanak sloj vode - nije iznenađujuće da klizačica klizi. A čim pomakne noge na drugo mjesto, tamo će se isto dogoditi. Posvuda pod nogama klizača led se pretvara u tanak sloj vode. Od svih postojećih tijela samo led ima takva svojstva; jedan ga je sovjetski fizičar nazvao "jedinim skliskim tijelom u prirodi". Ostala tijela su glatka, ali nisu skliska.

[U teoretskom proračunu pretpostavlja se da su i led i voda pod istim tlakom tijekom topljenja. Autor također opisuje primjere kada je voda nastala otapanjem atmosferskog tlaka. U ovom slučaju, potreban je manji pritisak da se smanji talište leda. - Bilješka. izd.]

Sada se možemo vratiti na pitanje je li glatki ili grubi led skliskiji. Znamo da isti teret to jače pritišće što je manja površina na koju se naslanja. U kojem slučaju osoba vrši veći pritisak na oslonac: kada stoji na zrcalno glatkom ili hrapavom ledu? Jasno je da u drugom slučaju: uostalom, ovdje se oslanja samo na nekoliko izbočina i kvržica grube površine. A što je veći pritisak na led, to je obilnije otapanje i, posljedično, led skliskiji (samo ako je klizaljka dovoljno široka; za usku klizaljku koja se reže u neravnine to nije primjenjivo - energija kretanje se ovdje troši na rezanje neravnina).

Smanjenje tališta leda pod značajnim pritiskom objašnjava mnoge druge fenomene svakodnevnog života. Zahvaljujući ovoj osobini leda, pojedinačni komadi leda se međusobno smrzavaju ako se jako stisnu. Dječak, grudvajući se u rukama grudve snijega, nesvjesno koristi upravo to svojstvo ledenih zrnaca (pahuljica) da se smrzavaju pod povećanim pritiskom, čime se snižava njihova temperatura topljenja. Kotrljajući snježnu grudvu za „snjegovićku“, opet koristimo naznačeno svojstvo leda: snježne pahulje na mjestima kontakta, u donjem dijelu lopte, smrzavaju se pod težinom mase koja ih pritišće. Sada, naravno, razumijete zašto u jakim mrazevima snijeg stvara snježne grude koje se raspadaju, a "žena" je loše oblikovana. Pod pritiskom stopala prolaznika, snijeg na pločnicima postupno se zbija u led: pahulje se smrzavaju u kontinuirani sloj.