อะไรทำให้น้ำแข็งลื่นได้ขนาดนี้

เพื่อค้นหาว่าเหตุใดจึงเป็นไปได้ที่จะไถลไปบนน้ำแข็ง นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามมาตลอด 150 ปีที่ผ่านมา ในปี 1849 พี่น้องเจมส์และวิลเลียม ทอมสัน (ลอร์ดเคลวิน) ตั้งสมมติฐานว่าน้ำแข็งที่อยู่ด้านล่างเราละลายเพราะเรากดทับ ดังนั้นเราจึงไม่ไถลไปบนน้ำแข็งอีกต่อไป แต่อยู่บนแผ่นฟิล์มน้ำที่ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของมัน

ถ้าความดันเพิ่มขึ้น จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งจะลดลง นี่คือเหตุผลที่มันเกิดขึ้น เป็นที่ทราบกันดีว่าความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าน้ำ ดังนั้นเมื่อน้ำแข็งถูกบีบอัด น้ำแข็งจึงพยายามลดการเสียรูปที่เกิดจากการขยายตัวของแรงดัน ทำให้จุดหลอมเหลวลดลง นี่คือหนึ่งในการแสดงออกของหลักการ Le Chatelier - "อิทธิพลภายนอกที่นำระบบออกจากสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ทำให้เกิดกระบวนการในนั้นที่พยายามทำให้ผลลัพธ์ของอิทธิพลนี้อ่อนลง"

อย่างไรก็ตาม จากการทดลองแสดงให้เห็นแล้ว (ดูรูปด้านบน) เพื่อลดจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งลงหนึ่งองศา จำเป็นต้องเพิ่มความดันเป็น 121 บรรยากาศ (12.2 MPa) ลองคำนวณว่านักกีฬาออกแรงกดบนน้ำแข็งมากน้อยเพียงใดเมื่อเขาไถลไปบนสเก็ตยาว 20 ซม. และหนา 0.3 ซม. ถ้าเราสมมติว่ามวลของนักกีฬาคือ 75 กก. แรงกดบนน้ำแข็งจะอยู่ที่ประมาณ 12 บรรยากาศ ดังนั้น เมื่อยืนอยู่บนรองเท้าสเก็ต เราแทบไม่สามารถลดจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งได้มากกว่า 0.1 องศาเซลเซียส ซึ่งหมายความว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายการเลื่อนบนน้ำแข็งในรองเท้าสเก็ต และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในรองเท้าธรรมดา ตามหลักการของ Le Chatelier ถ้า นอกหน้าต่าง เช่น -10 o C

	น้ำแข็งมีกี่ประเภท (ระยะ)?
เฟส	ข้อมูลจำเพาะ
น้ำแข็งสัณฐาน	น้ำแข็งอสัณฐานไม่มีโครงสร้างผลึก น้ำแข็งนี้มีอยู่ในสามรูปแบบ ได้แก่ น้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นต่ำ (LDA) ซึ่งก่อตัวที่ความดันบรรยากาศและต่ำกว่า น้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นสูง (HDA) และน้ำแข็งอสัณฐานความหนาแน่นสูง (VHDA) ซึ่งก่อตัวที่ความดันสูง น้ำแข็ง LDA ผลิตโดยการทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วของน้ำที่เป็นของเหลว ("น้ำแก้วที่เย็นยิ่งยวด", HGW) หรือโดยการควบแน่นไอน้ำบนพื้นผิวที่เย็นมาก ("น้ำที่ไม่มีรูปร่าง", ASW) หรือโดยการให้ความร้อนแก่น้ำแข็งรูปแบบความหนาแน่นสูง ที่ความดันปกติ ("LDA") .
น้ำแข็ง ฉัน h	น้ำแข็งผลึกหกเหลี่ยมธรรมดา น้ำแข็งเกือบทั้งหมดบนโลกเป็นของน้ำแข็ง I h และมีเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่เป็นของน้ำแข็ง I c
น้ำแข็ง ฉัน ค	น้ำแข็งผลึกลูกบาศก์ Metastable อะตอมของออกซิเจนถูกจัดอยู่ในตาข่ายคริสตัลของเพชร ได้ที่อุณหภูมิตั้งแต่ -133 °C ถึง -123 °C มันยังคงเสถียรถึง -73 °C และเมื่อให้ความร้อนต่อไป มันจะกลายเป็นน้ำแข็ง I h . ไม่ค่อยพบในบรรยากาศชั้นบน
น้ำแข็ง II	น้ำแข็งผลึกตรีโกณมิติที่มีโครงสร้างเป็นระเบียบสูง เกิดขึ้นจากน้ำแข็ง I h ระหว่างการบีบอัดและอุณหภูมิตั้งแต่ -83 °C ถึง -63 °C เมื่อถูกความร้อนจะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง III
น้ำแข็ง III	น้ำแข็งผลึกรูปสามเหลี่ยมซึ่งเกิดขึ้นเมื่อน้ำเย็นถึง -23 ° C และความดัน 300 MPa มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ แต่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในบรรดาน้ำแข็งทุกชนิดในเขตความกดอากาศสูง
น้ำแข็ง IV	น้ำแข็งตรีโกณมิติ Metastable มันยากที่จะได้รับหากไม่มีเมล็ดนิวเคลียส
ไอซ์ วี	น้ำแข็งผลึกโมโนคลินิก เกิดขึ้นเมื่อน้ำเย็นถึง -20 ° C และความดัน 500 MPa มันมีโครงสร้างที่ซับซ้อนที่สุดเมื่อเทียบกับการดัดแปลงอื่นๆ ทั้งหมด
น้ำแข็ง VI	น้ำแข็งผลึกทรงสี่เหลี่ยม มันเกิดขึ้นเมื่อน้ำเย็นถึง -3 ° C และความดัน 1.1 GPa มันแสดงออกมาเอง ลาก่อนการผ่อนคลาย.
น้ำแข็งที่ 7	การปรับเปลี่ยนลูกบาศก์ การจัดเรียงอะตอมของไฮโดรเจนถูกรบกวน ปรากฏให้เห็นในเรื่อง ลาก่อนการผ่อนคลาย. พันธะไฮโดรเจนก่อตัวเป็นโครงตาข่ายสองเส้นที่ทะลุผ่านกันได้ นี่คือน้ำแข็งทนไฟ: ที่ความดัน 40,000 atm มันละลายที่อุณหภูมิ +175 °C ที่ความดัน 20 GPa (200,000 atm.) น้ำแข็ง VII ละลายที่อุณหภูมิ 400 °C
ไอซ์ 8	น้ำแข็งรุ่น VII ที่ได้รับคำสั่งมากขึ้นซึ่งอะตอมของไฮโดรเจนครอบครองตำแหน่งคงที่ เกิดจากน้ำแข็ง VII เมื่อเย็นลงต่ำกว่า 5 °C
น้ำแข็งทรงเครื่อง	การดัดแปลง metastable แบบ Tetragonal ค่อยๆ ก่อตัวขึ้นจากน้ำแข็ง III เมื่อเย็นลงตั้งแต่ -65 °C ถึง -108 °C เสถียรที่อุณหภูมิต่ำกว่า -133 °C และความดันระหว่าง 200 ถึง 400 MPa ความหนาแน่นของมันคือ 1.16 g / cm³ นั่นคือสูงกว่าน้ำแข็งธรรมดาเล็กน้อย
ไอซ์ เอ็กซ์	น้ำแข็งสมมาตรที่มีการจัดเรียงตัวของโปรตอน เกิดขึ้นที่ความดันประมาณ 70 GPa
น้ำแข็ง XI	รูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนสมดุลอุณหภูมิต่ำ มันคือเฟอโรอิเล็กทริก
น้ำแข็ง XII	การดัดแปลงผลึกหนาแน่นแบบ Tetragonal metastable สังเกตได้ในเฟสสเปซของน้ำแข็ง V และน้ำแข็ง VI สามารถรับได้โดยการให้ความร้อนน้ำแข็งอสัณฐานที่มีความหนาแน่นสูงตั้งแต่ -196 °C ถึงประมาณ -90 °C และที่ความดัน 810 MPa
ไอซ์ XIII	โมโนคลินิกผลึกหลากหลาย ได้มาจากน้ำหล่อเย็นที่ต่ำกว่า -143 ° C และความดัน 500 MPa น้ำแข็ง V ที่หลากหลายพร้อมการจัดเรียงโปรตอนตามลำดับ
น้ำแข็ง XIV	ความหลากหลายของผลึกขนมเปียกปูน ได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า -155 °C และความดัน 1.2 GPa น้ำแข็ง XII ที่หลากหลายพร้อมการจัดเรียงโปรตอนตามลำดับ
ไอซ์ เอ็กซ์วี	น้ำแข็ง VI ที่หลากหลายพร้อมการจัดเรียงโปรตอนตามลำดับ สามารถรับได้โดยการทำให้น้ำแข็ง VI เย็นลงอย่างช้าๆ ถึง -143 °C และความดัน 0.8-1.5 GPa
	การศึกษาใหม่เกี่ยวกับการก่อตัวของน้ำแข็งบนพื้นผิวทองแดงที่ราบเรียบที่อุณหภูมิตั้งแต่ -173 °C ถึง -133 °C แสดงให้เห็นว่าสายโซ่แรกของโมเลกุลที่มีความกว้างประมาณ 1 นาโนเมตรปรากฏบนพื้นผิวของโครงสร้างห้าเหลี่ยมแทนที่จะเป็นโครงสร้างหกเหลี่ยม
	ไอซ์ไนน์ในนิยาย - วัสดุที่อธิบายโดยนักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์เคิร์ต วอนเนกุตในนวนิยายเรื่อง Cat's Cradle - การดัดแปลงน้ำแบบโพลีมอร์ฟิค ทนทานกว่าน้ำแข็งธรรมดา (ละลายที่ 0 องศาเซลเซียส) มันละลายที่อุณหภูมิ 114.4°F (~45.8°C) และเมื่อสัมผัสกับของเหลวที่เย็นกว่าน้ำจะทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการตกผลึกของน้ำที่สัมผัสกับมัน ซึ่งจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วและกลายเป็นน้ำแข็งเก้า ดังนั้นเมื่อเข้าไปในแหล่งน้ำไม่ทางใดก็ทางหนึ่งเพื่อสื่อสารกับมหาสมุทรโลก (ผ่านลำธาร, หนองน้ำ, แม่น้ำ, แหล่งใต้ดิน ฯลฯ ) ice-nine อาจทำให้เกิดการตกผลึกของน้ำส่วนใหญ่บนโลกและต่อมา ความตายของสิ่งมีชีวิตบนโลกใบนี้ Vonnegut ค้นพบสารนี้ในขณะที่ทำงานที่ General Electric ตอนที่เขาเขียนนิยายเรื่องนี้ มีเพียงแปดผลึกน้ำแข็งเท่านั้นที่รู้
	เนื่องจากมีไอโซโทปของไฮโดรเจนและออกซิเจนหลากหลายชนิดในธรรมชาติ จึงมีน้ำหลายประเภท (ตามลำดับ น้ำแข็ง) อย่างเป็นทางการ มี "น้ำ" ที่เป็นไปได้ 476 รายการ โดยพิจารณาจากไอโซโทปที่รู้จักทั้งหมดของไฮโดรเจน (7) และออกซิเจน (17) อย่างไรก็ตาม การสลายตัวของไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเกือบทั้งหมดของไฮโดรเจนและออกซิเจนเกิดขึ้นในไม่กี่วินาทีหรือเสี้ยววินาที (an ข้อยกเว้นที่สำคัญคือไอโซโทปซึ่งมีครึ่งชีวิตมากกว่า 12 ปี) . ดังนั้นจึงเหมาะสมที่จะพูดคุยเกี่ยวกับการดัดแปลงน้ำที่ไม่มีสารกัมมันตภาพรังสีที่เสถียร 9 รายการและสารกัมมันตภาพรังสีที่อ่อนแอ 9 รายการ น้ำมวลหนัก D 2 O จะกลายเป็นน้ำแข็งที่ +3.81 °C และเดือดที่ 101.43 °C น้ำที่มีกัมมันตภาพรังสีอ่อนยวดยิ่งยวด T 2 O แข็งตัวที่ +9 °C และเดือดที่ 104 °C

ในปี 1939 เมื่อเห็นได้ชัดว่าความลื่นของน้ำแข็งไม่สามารถอธิบายได้โดยการลดอุณหภูมิที่หลอมละลาย F. Bowden (Bowden) และ T. Hughes (Hughes) เสนอว่าความร้อนที่จำเป็นในการละลายน้ำแข็งใต้สันเขามาจาก แรงเสียดทาน อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมการยืนบนน้ำแข็งโดยไม่เคลื่อนไหวจึงเป็นเรื่องยาก ตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1950 นักวิทยาศาสตร์เริ่มเชื่อว่าน้ำแข็งลื่นเนื่องจากฟิล์มน้ำบางๆ ก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวโดยไม่ทราบสาเหตุ เกิดจากการทดลองที่ใช้แรงในการแยกก้อนน้ำแข็งที่สัมผัสกันออกจากกัน ปรากฎว่ายิ่งอุณหภูมิต่ำลงก็ยิ่งต้องใช้แรงน้อยลง (ดูรูปด้านล่าง) ซึ่งหมายความว่ามีฟิล์มของเหลวอยู่บนพื้นผิวของลูกบอล ซึ่งความหนาของลูกบอลจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ เมื่อมันยังต่ำกว่าจุดหลอมเหลวมาก อย่างไรก็ตาม M. Faraday ก็คิดเช่นนั้นในปี 1859 โดยไม่มีเหตุผลใด ๆ

จนกระทั่งช่วงปลายทศวรรษที่ 1990 การศึกษาวิธีที่น้ำแข็งโปรตอน รังสีเอกซ์ และกล้องจุลทรรศน์ AFM แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวของมันไม่ได้เป็นโครงสร้างผลึกที่ได้รับคำสั่ง แต่ค่อนข้างจะมีลักษณะเป็นของเหลว (ดูรูปด้านล่าง) ผู้ที่ศึกษาพื้นผิวของน้ำแข็งโดยใช้ NMR ได้ผลเช่นเดียวกัน ปรากฎว่าโมเลกุลของน้ำในชั้นผิวของน้ำแข็งสามารถหมุนด้วยความถี่ที่มากกว่าโมเลกุลเดียวกันถึง 100,000 เท่า แต่ในส่วนลึกของผลึก ซึ่งหมายความว่าโมเลกุลของน้ำบนพื้นผิวไม่ได้อยู่ในตาข่ายคริสตัลอีกต่อไป

แผนผังแสดงผลึกน้ำแข็งในความลึก (ด้านล่าง) และบนพื้นผิว

โมเลกุลของน้ำที่อยู่บนผิวน้ำแข็งอยู่ในสภาพพิเศษเพราะ แรงที่บังคับให้พวกมันอยู่ในโหนดของโครงตาข่ายหกเหลี่ยมนั้นกระทำกับพวกมันจากด้านล่างเท่านั้น ดังนั้น โมเลกุลพื้นผิวจึงไม่จำเป็นต้อง "หลบเลี่ยงคำแนะนำ" ของโมเลกุลในโครงตาข่าย และหากสิ่งนี้เกิดขึ้น โมเลกุลของน้ำหลายชั้นผิวจะตัดสินใจแบบเดียวกันในคราวเดียว เป็นผลให้ฟิล์มของเหลวก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของน้ำแข็ง ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นที่ดีเมื่อเลื่อน โดยวิธีการนี้ ฟิล์มเหลวบาง ๆ ไม่เพียงก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวน้ำแข็งเท่านั้น แต่ยังเกิดบนผลึกอื่น ๆ ด้วย เช่น ตะกั่ว

ความหนาของฟิล์มของเหลวจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากพลังงานความร้อนที่สูงขึ้นของโมเลกุลจะดึงชั้นพื้นผิวออกจากโครงตาข่ายหกเหลี่ยมมากขึ้น ตามรายงานบางฉบับ ความหนาของฟิล์มน้ำบนพื้นผิวน้ำแข็งซึ่งเท่ากับ 100 นาโนเมตรที่ -5 องศา จะลดลงสิบเท่าที่ -35 องศา - จนถึง 10 นาโนเมตร และที่ -170 องศา โดยทั่วไปประกอบด้วยโมเลกุลหนึ่งชั้น . ดังนั้นชาวอาร์กติกจึงกล่าวว่าการลากเลื่อนบนน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำมากนั้นเหมือนกับการลากบนทราย (ในกรณีนี้จะมีการหล่อลื่นเพียงเล็กน้อย)

การปรากฏตัวของสิ่งเจือปน (โมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่น้ำ) ยังป้องกันไม่ให้ชั้นพื้นผิวสร้างโครงผลึก ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะเพิ่มความหนาของฟิล์มของเหลวโดยการละลายสิ่งเจือปนบางอย่างเช่นเกลือธรรมดา นี่คือสิ่งที่สาธารณูปโภคใช้เมื่อพวกเขาต้องดิ้นรนกับน้ำแข็งเกาะถนนและทางเท้าในฤดูหนาว

จากหนังสือของ K.Yu. Bogdanov เดินไปพร้อมกับฟิสิกส์

Konstantin Bogdanov โลก (Sol III)

ดังนั้น น้ำแข็งจึงลื่นอย่างแน่นอนเพราะธรรมชาติของโมเลกุลทำให้มีฟิล์มน้ำบางๆ อยู่บนพื้นผิว ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่น เมื่ออุณหภูมิลดลง น้ำแข็งจะสูญเสียคุณสมบัติ "ลื่น"

ตามวัสดุ:

ทำไมน้ำแข็งถึงลื่น?

ลื่นไถลบนพื้นเรียบได้ง่ายกว่าบนพื้นธรรมดา ดูเหมือนว่าสิ่งเดียวกันนี้ควรจะเกิดขึ้นบนน้ำแข็งนั่นคือ เรียบน้ำแข็งควรมีความลื่นมากกว่าน้ำแข็งที่เป็นก้อนและหยาบ

แต่ถ้าคุณเคยเลื่อนลากเลื่อนบนน้ำแข็งที่ไม่สม่ำเสมอและเป็นหลุมเป็นบ่อ คุณจะเห็นได้ว่าเลื่อนเลื่อนบนพื้นเรียบได้ง่ายกว่าที่คาดไว้ ซึ่งตรงกันข้ามกับที่คาดไว้ น้ำแข็งหยาบลื่นยิ่งกว่าน้ำแข็งเรียบกระจก! นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าความลื่นของน้ำแข็งไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเรียบเป็นหลัก แต่ด้วยเหตุผลพิเศษ: ความจริงที่ว่าจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งลดลงเมื่อความดันเพิ่มขึ้น

ตอนนี้เราสามารถกลับไปที่คำถามว่าน้ำแข็งที่เรียบหรือขรุขระนั้นลื่นกว่ากัน เราทราบดีว่าน้ำหนักที่เท่ากันนั้นยิ่งกดแรงขึ้นเท่าใด พื้นที่ที่วางก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น ในกรณีใดที่คน ๆ หนึ่งออกแรงกดการสนับสนุนมากขึ้น: เมื่อเขายืนบนน้ำแข็งที่เรียบเหมือนกระจกหรือน้ำแข็งขรุขระ? เป็นที่ชัดเจนว่าในกรณีที่สอง: ท้ายที่สุดแล้วที่นี่จะวางอยู่บนส่วนที่ยื่นออกมาและตุ่มเล็ก ๆ ของพื้นผิวที่ขรุขระเท่านั้น และยิ่งมีแรงกดบนน้ำแข็งมากเท่าไหร่ การละลายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และด้วยเหตุนี้ น้ำแข็งก็ยิ่งลื่นมากขึ้นเท่านั้น (หากเฉพาะการลื่นไถลกว้างพอ สำหรับการเล่นสเก็ตแบบแคบที่ตัดเป็นรอยกระแทก จะใช้ไม่ได้ - พลังงาน การเคลื่อนไหวถูกใช้ที่นี่ในการตัดกระแทก)

การลดลงของจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งภายใต้แรงกดดันอย่างมีนัยสำคัญอธิบายถึงปรากฏการณ์อื่น ๆ ในชีวิตประจำวัน ด้วยคุณลักษณะของน้ำแข็งนี้ น้ำแข็งแต่ละชิ้นจะแข็งตัวรวมกันหากบีบแรง เด็กชายบีบก้อนหิมะในมือขณะเล่นก้อนหิมะ ใช้คุณสมบัติของเกล็ดน้ำแข็ง (เกล็ดหิมะ) โดยไม่รู้ตัวเพื่อแช่แข็งภายใต้แรงกดดันที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิหลอมละลายลดลง การกลิ้งก้อนหิมะสำหรับ "มนุษย์หิมะ" เราใช้คุณสมบัติที่ระบุของน้ำแข็งอีกครั้ง: เกล็ดหิมะที่จุดสัมผัสในส่วนล่างของอาการโคม่าแช่แข็งภายใต้น้ำหนักของมวลที่กดทับ ตอนนี้คุณเข้าใจแล้วว่าทำไมในน้ำค้างแข็งรุนแรงหิมะจึงก่อตัวเป็นก้อนหิมะที่ร่วงหล่นและ "ผู้หญิง" ก็มีรูปร่างไม่ดี ภายใต้แรงกดดันจากเท้าของผู้คนที่สัญจรไปมา หิมะบนทางเท้าจะค่อยๆ อัดแน่นเป็นน้ำแข็ง: เกล็ดหิมะจะแข็งตัวเป็นชั้นต่อเนื่อง

รัสเซียเป็นประเทศที่อุณหภูมิในฤดูหนาวสามารถลดลงต่ำกว่าศูนย์ได้ตลอดเวลา ซึ่งหมายความว่าทุกคนที่อาศัยอยู่ที่นี่รู้โดยตรงว่าคุณต้องเดินบนน้ำแข็งอย่างระมัดระวัง - เพื่อไม่ให้ลื่นและไม่ให้ล้มในจุดที่ห้า นี่คือสิ่งที่ดีที่สุด Traumatology เกี่ยวข้องกับสิ่งที่เลวร้ายที่สุดและเชื่อฉันเถอะว่าพวกเขาจะไม่เบื่อที่นั่นในฤดูหนาว

นักวิทยาศาสตร์ยอมรับว่า "ความลื่น" เกิดจากชั้นน้ำที่บางมากบนพื้นผิวของน้ำแข็ง อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่สามารถบรรลุความเห็นพ้องกันว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้นที่นั่น วัสดุที่เป็นของแข็งส่วนใหญ่ไม่มีชั้นนี้ แต่น้ำแข็งไม่ใช่ตัวแทนทั่วไปของสารประเภทนี้ ในเรื่องนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังพิจารณาทางเลือกที่เกี่ยวข้องกับแรงกด แรงเสียดทาน และวิธีการพิเศษในการปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุล

ตามเนื้อผ้าเชื่อกันว่าในการละลายน้ำแข็งด้านบนคุณต้องออกแรงกดเล็กน้อย

สิ่งนี้แสดงให้เห็นได้ดีด้วยภาพสเก็ตและสามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติที่แปลกประหลาดอย่างหนึ่งของ H2O นั่นคือน้ำแข็งไม่หนาแน่นเท่าน้ำที่เป็นของเหลว เมื่อคุณออกแรงกดบนน้ำแข็ง เช่น ด้วยใบมีดสเก็ต ระบบโต้ตอบมีแนวโน้มที่จะลดแรงกดลงโดยการลดระดับเสียง เนื่องจากน้ำมีขนาดกะทัดรัดกว่าน้ำแข็ง จุดหลอมเหลวจึงลดลงกลายเป็นของเหลว ซึ่งในความเป็นจริงแล้วใบมีดจะเลื่อน หลังจากที่เจ้าของอุปกรณ์กีฬาส่งเสียงร้องด้วยความดีใจ น้ำก็กลายเป็นน้ำแข็งอีกครั้ง

ทุกอย่างดูเหมือนจะมีเหตุผลมาก แต่ยังคงมีคำถามอยู่ แม้แต่นักเล่นสเก็ตที่มีน้ำหนักมาก จุดหลอมเหลวจะลดลงเพียงไม่กี่องศา ซึ่งหมายความว่าน้ำแข็งที่เย็นจัดจะต้องเป็นน้ำแข็งตลอดเวลา นอกจากนี้ คนที่เดินบนน้ำแข็งในรองเท้าธรรมดาและออกแรงกดน้อยกว่ามากก็ยังลื่นได้ ความเป็นไปได้อีกอย่างก็คือการถูรองเท้าบนน้ำแข็งทำให้เกิดความร้อนเพียงพอที่จะทำให้รองเท้าละลายได้ นี่เป็นเรื่องจริง แต่น้ำแข็งจะไม่หยุดลื่นถ้าคุณยืนอยู่บนนั้น จริงไหม? ดังนั้นคำอธิบายนี้จึงไม่ได้ตอบคำถามทุกข้อ

มีสมมติฐานข้อที่สามตามข้อสังเกตของไมเคิล ฟาราเดย์ เขากดน้ำแข็งสองก้อนและสังเกตว่ามันติดกัน สิ่งนี้ทำให้เขาสรุปได้ว่าชั้นของเหลวบนพื้นผิวของชิ้นส่วนเหล่านี้หยุดเป็นของเหลวและกลายเป็นน้ำแข็งแข็งเมื่อสูญเสียการสัมผัสกับอากาศ ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่จึงได้เสนอแนวคิดเรื่องการหลอมละลายของพื้นผิว - บางทีโมเลกุลของน้ำอาจเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระบนเปลือกเนื่องจากไม่มีอะไรกดทับจากด้านบน เนื่องจากความเสถียรต่ำ จึงมีพลังงานเพียงพอในการสร้างชั้นของเหลวแม้ในอุณหภูมิติดลบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฟิสิกส์กล่าวว่าพื้นผิวน้ำแข็งลื่นเพราะโดยเนื้อแท้แล้วน้ำแข็งมีความลื่น

ไม่มีสมมติฐานใดที่อธิบายไว้ได้รับการพิสูจน์หรือหักล้างอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นจึงสามารถสันนิษฐานได้ว่าคำอธิบายสุดท้ายซึ่งจะได้รับอย่างไม่ต้องสงสัยในสักวันหนึ่งจะเป็นการรวมกันของพวกเขา ในขณะเดียวกัน จำไว้ว่าน้ำแข็งไม่ได้เป็นเพียงศูนย์กลางการบาดเจ็บและเนื้อเยื่ออ่อนที่ฟกช้ำเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกีฬาที่ยอดเยี่ยม ความสนุกสนาน และสุขภาพที่ดีอีกมากมาย ฤดูหนาวเป็นช่วงเวลาที่ยอดเยี่ยมของปี สนุกกับมัน และดูแลตัวเอง

เป้า. พัฒนาความรู้ความเข้าใจและกิจกรรมการพูด

งาน:

1. แนะนำให้เด็กรู้จักคุณสมบัติของน้ำแข็ง

2. แสดงการพึ่งพาอาศัยกันของแรงเสียดทานต่อธรรมชาติของพื้นผิว ค่าของฟิล์มน้ำเข้า เลื่อน;

3. เพื่อรวมความสามารถในการรับข้อมูลระหว่างการดูวิดีโอ

สรุปผลตาม การทดลอง;

4. ปลูกฝังความเป็นอิสระกิจกรรม

งานเบื้องต้น: การออกแบบการนำเสนอ « ทำไมสเก็ตลื่น?» ร่วมกับผู้ปกครองแช่น้ำแข็ง

วัสดุ: อุปกรณ์รับชมมัลติมีเดีย; การนำเสนอ « ทำไมสเก็ตลื่น?» ; สมุดโน้ต “เกี่ยวกับไอซ์”, เศษกระดาษ, ปากกาปลายสักหลาด, ก้อนน้ำแข็ง, จานพลาสติก, ถ้วยน้ำ, ค้อน, แก้วแผ่นเล็กๆ

ความก้าวหน้าของหลักสูตร

I. ช่วงเวลาขององค์กร (2 นาที.)

นักการศึกษา ฤดูหนาวกำลังมา. ช่วงเวลาที่ยอดเยี่ยมของปี

Zimushka ให้ความสนุกที่ยอดเยี่ยมแก่เรา - ฤดูหนาว:

เรากำลังเลื่อน เราปั้นตุ๊กตาหิมะ และเราเล่นฮอกกี้ด้วยกัน และเราบินจากภูเขาด้วยสกี และถึงเวลาที่เราจะไปโรงเรียนอนุบาล และเราไม่ต้องการเลย (ผู้เขียน: Borovleva N. A.)

คุณแต่ละคนมีเกมที่คุณชื่นชอบ Savely จะบอกเราเกี่ยวกับเกมโปรดของเขาในฤดูหนาว

ครั้งที่สอง ส่วนสำคัญ (22 นาที)

1. การนำเสนอโครงการวิจัยโดยเด็ก

นักการศึกษา คุณตั้งใจฟังเรื่องราว

คุณคิดว่าเราจะสามารถศึกษาเรื่อง Savely ซ้ำได้หรือไม่? หรือเป็นเพียงเขา (คำตอบของเด็ก)

เมื่อเราเริ่มการสืบสวน ขอให้เรานึกถึงสิ่งที่เราต้องเรียนรู้ (คำตอบของเด็ก)

2. การถือครอง เด็กกิจกรรมการทดลอง.

นักการศึกษา มาใช้จ่ายกันเถอะ ประสบการณ์: “คุณสมบัติของน้ำแข็ง”.

หยิบก้อนน้ำแข็งในมือของคุณ

ภายนอกเขาเป็นอย่างไร

เขารู้สึกอย่างไร?

แตะก้อนน้ำแข็งด้วยค้อน เกิดอะไรขึ้น

ใส่ก้อนน้ำแข็งลงในแก้ว ดูว่าน้ำแข็งละลายไหม?

ถือก้อนน้ำแข็งไว้ในมือ เกิดอะไรขึ้นกับน้ำแข็ง?

(เด็ก ๆ ทำการจัดการน้ำแข็งตอบคำถาม).

ลักษณะทั่วไป น้ำแข็งมีความโปร่งใส สัมผัสที่เย็นและนุ่มนวล แข็งและเปราะพร้อมกัน น้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ เมื่ออุ่นจะกลายเป็นน้ำได้ง่าย

คุณคิดว่าคุณสมบัติใดต่อไปนี้ที่ทำให้เกิดน้ำแข็ง ลื่น?

(คำตอบของเด็ก)

เพื่ออธิบายสิ่งนี้ให้เปรียบเทียบแก้วกับน้ำแข็ง

ประสบการณ์« ทำไมน้ำแข็งถึงลื่น?»

เด็ก ๆ ตรวจสอบแก้วพร้อมกับครูเปรียบเทียบคุณสมบัติภายนอก

ลักษณะทั่วไป แก้วและน้ำแข็ง คล้ายกัน: แก้วเหมือนน้ำแข็ง ใส เย็น เรียบ. แข็งและเปราะพร้อมกัน

แต่น้ำแข็งมีมากขึ้น ลื่นกว่าแก้ว ทำไม?

ในการตอบคำถามนี้ ให้บอกว่าเกิดอะไรขึ้นกับพื้นผิวของน้ำแข็งในระหว่างนั้น เลื่อนไปบนนั้น?

เอานิ้วแตะน้ำแข็งและแก้ว เกิดอะไรขึ้นกับพวกเขา (คำตอบของเด็ก)

ลักษณะทั่วไป เมื่อสัมผัสน้ำแข็งจะละลายได้ง่ายและกลายเป็นน้ำซึ่งช่วยได้ ลื่นและแก้วไม่ละลาย ดังนั้น เลื่อนมันเหมือนน้ำแข็ง คุณทำไม่ได้

3. การตกแต่ง เด็กแล็ปท็อป“เกี่ยวกับไอซ์”.

นักการศึกษา วาดทุกสิ่งที่คุณสนใจและชอบเป็นพิเศษในวันนี้ในบทเรียน

เด็ก ๆ วาดช่วงเวลาที่น่าจดจำของบทเรียนวาดสมุดร่วมกับครู “เกี่ยวกับไอซ์”.

สาม. ส่วนสุดท้าย (1 นาที.)

นักการศึกษา วันนี้เราจัดวิทยาศาสตร์ ประสบการณ์ขอบคุณที่พวกเขาได้เรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของน้ำแข็ง ขึ้นอยู่กับความเร็ว ลื่นตามลักษณะของพื้นผิวนั้นๆ ลื่น; เกี่ยวกับความสำคัญของฟิล์มกรองน้ำใน เลื่อน. ในตอนเย็น แบ่งปันการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ของคุณกับพ่อแม่

มาดูกันว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อเราไปเล่นเลื่อนหิมะหรือเล่นสเก็ต ในขณะที่เล่นสเก็ต เราอาศัยพื้นที่ขนาดเล็กมาก เพียงไม่กี่ตารางมิลลิเมตร และพื้นที่เล็ก ๆ นี้ถูกกดทับโดยน้ำหนักตัวของเรา หากคุณจำสิ่งที่กล่าวไว้ในบทที่สองเกี่ยวกับแรงกดได้ คุณจะเข้าใจว่าผู้เล่นกำลังกดน้ำแข็งด้วยแรงมาก ภายใต้ความกดดันสูง น้ำแข็งจะละลายที่อุณหภูมิต่ำ ตัวอย่างเช่น ถ้าน้ำแข็งมีอุณหภูมิ -5° และความดันของสันเขาทำให้จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งที่ถูกเหยียบย่ำโดยสันเขาลดลงมากกว่า 5° ส่วนของน้ำแข็งเหล่านี้จะละลาย [ตามทฤษฎีแล้ว สามารถคำนวณได้ว่าต้องใช้แรงกดอย่างมากถึง 130 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร นักเล่นเลื่อนหิมะหรือนักเล่นสเก็ตสร้างแรงกดบนน้ำแข็งมากขนาดนั้นหรือไม่? หากคุณกระจายน้ำหนักของเลื่อน (หรือผู้เล่นสเก็ต) บนพื้นผิวของนักวิ่ง (หรือสเก็ต) คุณจะได้ตัวเลขที่น้อยกว่ามาก นี่เป็นการพิสูจน์ว่าน้ำแข็งอยู่ติดกัน อย่างต่อเนื่อง, ติดๆกันห่างจากพื้นผิวทั้งหมดของงู แต่เป็นเพียงส่วนเล็กน้อยเท่านั้น] เกิดอะไรขึ้น? ตอนนี้มีชั้นน้ำบาง ๆ ระหว่างทางวิ่งของรองเท้าสเก็ตกับน้ำแข็ง - ไม่น่าแปลกใจที่ผู้เล่นจะเลื่อน และทันทีที่เขาขยับขาไปที่อื่น สิ่งเดียวกันก็จะเกิดขึ้นที่นั่น ทุกที่ใต้ฝ่าเท้าของนักเล่นสเก็ตน้ำแข็งจะกลายเป็นชั้นน้ำบาง ๆ จากวัตถุที่มีอยู่ทั้งหมด มีเพียงน้ำแข็งเท่านั้นที่มีคุณสมบัติดังกล่าว นักฟิสิกส์ชาวโซเวียตคนหนึ่งเรียกมันว่า "ร่างกายที่ลื่นเพียงแห่งเดียวในธรรมชาติ" ตัวอื่นเนียนแต่ไม่ลื่น

[ในการคำนวณทางทฤษฎี สันนิษฐานว่าทั้งน้ำแข็งและน้ำอยู่ภายใต้ความดันเดียวกันระหว่างการหลอมเหลว ผู้เขียนยังได้อธิบายถึงตัวอย่างเมื่อน้ำที่ก่อตัวขึ้นระหว่างการหลอมเหลวอยู่ที่ความดันบรรยากาศ ในกรณีนี้ ต้องใช้แรงดันน้อยลงเพื่อทำให้จุดหลอมเหลวของน้ำแข็งต่ำลง - บันทึก. เอ็ด]

ตอนนี้เราสามารถกลับไปที่คำถามว่าน้ำแข็งที่เรียบหรือขรุขระนั้นลื่นกว่ากัน เราทราบดีว่าน้ำหนักที่เท่ากันนั้นยิ่งกดแรงขึ้นเท่าใด พื้นที่ที่วางก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น ในกรณีใดที่คน ๆ หนึ่งออกแรงกดการสนับสนุนมากขึ้น: เมื่อเขายืนบนน้ำแข็งที่เรียบเหมือนกระจกหรือน้ำแข็งขรุขระ? เป็นที่ชัดเจนว่าในกรณีที่สอง: ท้ายที่สุดแล้วที่นี่จะวางอยู่บนส่วนที่ยื่นออกมาและตุ่มเล็ก ๆ ของพื้นผิวที่ขรุขระเท่านั้น และยิ่งมีแรงกดบนน้ำแข็งมากเท่าไหร่ การละลายก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และส่งผลให้น้ำแข็งลื่นมากขึ้น (หากมีเพียงการลื่นไถลที่กว้างพอเท่านั้น สำหรับการลื่นไถลที่แคบซึ่งตัดเป็นรอยกระแทก สิ่งนี้ใช้ไม่ได้ - พลังงานของ การเคลื่อนไหวถูกใช้ที่นี่เพื่อตัดการกระแทก)

การลดลงของจุดหลอมเหลวของน้ำแข็งภายใต้แรงกดดันอย่างมีนัยสำคัญอธิบายถึงปรากฏการณ์อื่น ๆ ในชีวิตประจำวัน ด้วยคุณลักษณะของน้ำแข็งนี้ น้ำแข็งแต่ละชิ้นจะแข็งตัวรวมกันหากบีบแรง เด็กชายบีบก้อนหิมะในมือขณะเล่นก้อนหิมะ ใช้คุณสมบัติของเกล็ดน้ำแข็ง (เกล็ดหิมะ) โดยไม่รู้ตัวเพื่อแช่แข็งภายใต้แรงกดดันที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิหลอมละลายลดลง การกลิ้งก้อนหิมะสำหรับ "สโนว์วูแมน" เราใช้คุณสมบัติที่ระบุของน้ำแข็งอีกครั้ง: เกล็ดหิมะที่จุดสัมผัสในส่วนล่างของลูกบอลแช่แข็งภายใต้น้ำหนักของมวลที่กดทับ ตอนนี้คุณเข้าใจแล้วว่าทำไมในน้ำค้างแข็งรุนแรงหิมะจึงก่อตัวเป็นก้อนหิมะที่ร่วงหล่นและ "ผู้หญิง" ก็มีรูปร่างไม่ดี ภายใต้แรงกดดันจากเท้าของผู้คนที่สัญจรไปมา หิมะบนทางเท้าจะค่อยๆ อัดแน่นเป็นน้ำแข็ง: เกล็ดหิมะจะแข็งตัวเป็นชั้นต่อเนื่อง