ทำไมน้ำทะเลถึงไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิศูนย์? การทดลองน้ำแข็ง

ตารางแสดงคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นของเกลือ: ความร้อนจำเพาะของสารละลาย ค่าการนำความร้อน ความหนืดของสารละลายในน้ำ การกระจายความร้อน และหมายเลข Prandtl ความเข้มข้นของเกลือ CaCl 2 ในสารละลายคือ 9.4 ถึง 29.9% อุณหภูมิที่ให้คุณสมบัติถูกกำหนดโดยปริมาณเกลือของสารละลายและอยู่ในช่วงตั้งแต่ -55 ถึง 20°C

แคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 อาจไม่แข็งตัวถึงลบ 55 °С. เพื่อให้บรรลุผลนี้ ความเข้มข้นของเกลือในสารละลายควรเป็น 29.9% และความหนาแน่นจะเท่ากับ 1286 กก./ม. 3

ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของเกลือในสารละลาย ไม่เพียงแต่เพิ่มความหนาแน่นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ เช่น ความหนืดไดนามิกและจลนศาสตร์ของสารละลายในน้ำ ตลอดจนจำนวน Prandtl ตัวอย่างเช่น, ความหนืดไดนามิกของสารละลาย CaCl 2ด้วยความเข้มข้นของเกลือ 9.4% ที่อุณหภูมิ 20°C คือ 0.001236 Pa s และด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของแคลเซียมคลอไรด์ในสารละลายเป็น 30% ความหนืดไดนามิกของมันจะเพิ่มขึ้นเป็น 0.003511 Pa s

ควรสังเกตว่าอุณหภูมิมีอิทธิพลมากที่สุดต่อความหนืดของสารละลายในน้ำของเกลือนี้ เมื่อสารละลายแคลเซียมคลอไรด์เย็นตัวลงตั้งแต่ 20 ถึง -55 องศาเซลเซียส ความหนืดไดนามิกของสารละลายจะเพิ่มขึ้น 18 เท่า และไคเนมาติก 25 เท่า

ดังต่อไปนี้ คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลาย CaCl 2:

• , กก. / ม. 3;
• จุดเยือกแข็ง°С;
• ความหนืดไดนามิกของสารละลายในน้ำ Pa s;
• หมายเลข Prandtl

ความหนาแน่นของสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ตารางแสดงค่าความหนาแน่นของสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ความเข้มข้นต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
ความเข้มข้นของแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ในสารละลายอยู่ระหว่าง 15 ถึง 30% ที่อุณหภูมิ -30 ถึง 15 องศาเซลเซียส ความหนาแน่นของสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ในน้ำเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของสารละลายลดลงและความเข้มข้นของเกลือเพิ่มขึ้น

ค่าการนำความร้อนของสารละลาย CaCl 2 ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

ตารางแสดงค่าการนำความร้อนของสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ที่มีความเข้มข้นต่างๆ ที่อุณหภูมิต่ำ
ความเข้มข้นของเกลือ CaCl 2 ในสารละลายอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 37.3% ที่อุณหภูมิ -20 ถึง 0°C เมื่อความเข้มข้นของเกลือในสารละลายเพิ่มขึ้น ค่าการนำความร้อนจะลดลง

ความจุความร้อนของสารละลาย CaCl 2 ที่ 0 °С

ตารางแสดงค่าความจุความร้อนมวลของสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ที่ความเข้มข้นต่างๆ ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ความเข้มข้นของเกลือ CaCl 2 ในสารละลายคือ 0.1 ถึง 37.3% ควรสังเกตว่าเมื่อความเข้มข้นของเกลือเพิ่มขึ้นในสารละลายความจุความร้อนจะลดลง

จุดเยือกแข็งของสารละลายของเกลือ NaCl และ CaCl 2

ตารางแสดงจุดเยือกแข็งของสารละลายเกลือของโซเดียมคลอไรด์ NaCl และแคลเซียม CaCl 2 ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเกลือ ความเข้มข้นของเกลือในสารละลายอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 37.3% จุดเยือกแข็งของน้ำเกลือถูกกำหนดโดยความเข้มข้นของเกลือในสารละลายและโซเดียมคลอไรด์ NaCl สามารถเข้าถึงค่าลบ 21.2°C สำหรับสารละลายยูเทคติก

ควรสังเกตว่า สารละลายโซเดียมคลอไรด์อาจไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิลบ 21.2 ° Cและสารละลายแคลเซียมคลอไรด์ไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิสูงถึง ลบ 55 °C.

ความหนาแน่นของสารละลาย NaCl ตามหน้าที่ของอุณหภูมิ

ตารางแสดงค่าความหนาแน่นของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl ที่มีความเข้มข้นต่างๆ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
ความเข้มข้นของเกลือ NaCl ในสารละลายอยู่ระหว่าง 10 ถึง 25% ค่าความหนาแน่นของสารละลายจะแสดงที่อุณหภูมิตั้งแต่ -15 ถึง 15 องศาเซลเซียส

ค่าการนำความร้อนของสารละลาย NaCl ตามหน้าที่ของอุณหภูมิ

ตารางแสดงค่าการนำความร้อนของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl ที่มีความเข้มข้นต่างๆ ที่อุณหภูมิติดลบ
ความเข้มข้นของเกลือ NaCl ในสารละลายอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 26.3% ที่อุณหภูมิ -15 ถึง 0°C จากตารางจะเห็นว่าค่าการนำความร้อนของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ในน้ำลดลงเมื่อความเข้มข้นของเกลือในสารละลายเพิ่มขึ้น

ความจุความร้อนจำเพาะของสารละลาย NaCl ที่ 0°C

ตารางแสดงค่าความร้อนจำเพาะมวลของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl ที่มีความเข้มข้นต่างๆ ที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส ความเข้มข้นของเกลือ NaCl ในสารละลายอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 26.3% จากตารางจะเห็นได้ว่าการเพิ่มความเข้มข้นของเกลือในสารละลายจะทำให้ความจุความร้อนลดลง

คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลาย NaCl

ตารางแสดงคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นของเกลือ ความเข้มข้นของโซเดียมคลอไรด์ NaCl ในสารละลายอยู่ระหว่าง 7 ถึง 23.1% ควรสังเกตว่าเมื่อสารละลายโซเดียมคลอไรด์ในน้ำถูกทำให้เย็นลง ความจุความร้อนจำเพาะจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ค่าการนำความร้อนจะลดลง และความหนืดของสารละลายจะเพิ่มขึ้น

ดังต่อไปนี้ คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของสารละลาย NaCl:

• ความหนาแน่นของสารละลาย kg/m 3 ;
• จุดเยือกแข็ง°С;
• ความจุความร้อนจำเพาะ (มวล) kJ/(kg deg);
• ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อน W/(m องศา);
• ความหนืดไดนามิกของสารละลาย Pa s;
• ความหนืดจลนศาสตร์ของสารละลาย m 2 /s;
• การกระจายความร้อน m 2 /s;
• หมายเลข Prandtl

ความหนาแน่นของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl และแคลเซียม CaCl 2 ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นที่ 15 ° C

ตารางแสดงค่าความหนาแน่นของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl และแคลเซียม CaCl 2 ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น ความเข้มข้นของเกลือ NaCl ในสารละลายอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 26.3% ที่อุณหภูมิสารละลาย 15°C ความเข้มข้นของแคลเซียมคลอไรด์ CaCl 2 ในสารละลายอยู่ในช่วง 0.1 ถึง 37.3% ที่อุณหภูมิ 15°C ความหนาแน่นของสารละลายโซเดียมคลอไรด์และแคลเซียมเพิ่มขึ้นตามปริมาณเกลือที่เพิ่มขึ้น

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl และแคลเซียม CaCl 2

ตารางแสดงค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเฉลี่ยของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ NaCl และแคลเซียม CaCl 2 ตามปริมาตรของสารละลายน้ำขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและอุณหภูมิ
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของปริมาตรของสารละลายเกลือ NaCl ถูกระบุที่อุณหภูมิ -20 ถึง 20°C
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรของสารละลาย CaCl 2 คลอไรด์ถูกกำหนดที่ -30 ถึง 20°C

ที่มา:

1. Danilova G. N. et al. การรวบรวมงานเกี่ยวกับกระบวนการถ่ายเทความร้อนในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องทำความเย็น ม.: อุตสาหกรรมอาหาร, 2519.- 240 น.

การทดลองน้ำแข็งสำหรับเด็กนั้นน่าสนใจเสมอ จากการทดลองกับ Vlad ฉันได้ค้นพบตัวเองหลายครั้ง

วันนี้เราจะพบคำตอบสำหรับคำถามต่อไปนี้:

• น้ำทำงานอย่างไรเมื่อถูกแช่แข็ง?
• จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณแช่แข็งน้ำเกลือ?
• เสื้อจะอุ่นน้ำแข็ง?
• และอีกบางส่วน...

น้ำแช่แข็ง

น้ำขยายตัวเมื่อแข็งตัว ภาพแสดงแก้วน้ำแช่แข็ง จะเห็นได้ว่าน้ำแข็งได้เพิ่มขึ้นเป็นตุ่ม น้ำไม่แข็งตัวอย่างสม่ำเสมอ ในตอนแรก น้ำแข็งปรากฏขึ้นที่ผนังแก้ว ค่อยๆ เติมให้เต็มภาชนะ ในน้ำ โมเลกุลจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม ดังนั้นจึงใช้รูปร่างของภาชนะที่เทลงไป ในทางกลับกัน น้ำแข็งมีโครงสร้างผลึกที่ชัดเจน ในขณะที่ระยะห่างระหว่างโมเลกุลน้ำแข็งนั้นมากกว่าระหว่างโมเลกุลของน้ำ ดังนั้นน้ำแข็งจึงใช้พื้นที่มากกว่าน้ำ กล่าวคือ น้ำแข็งจะขยายตัว

น้ำเกลือแข็งตัวหรือไม่?

ยิ่งน้ำเค็มมาก จุดเยือกแข็งยิ่งต่ำ สำหรับการทดลอง เราเอาแก้วสองแก้ว - ในน้ำจืดหนึ่งอัน (ทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษร B) ในอีกน้ำหนึ่งที่มีรสเค็มมาก (ทำเครื่องหมายด้วยตัวอักษร B + C)

หลังจากยืนอยู่ในช่องแช่แข็งตลอดทั้งคืน น้ำเกลือก็ไม่แข็งตัว แต่มีผลึกน้ำแข็งก่อตัวขึ้นในแก้ว น้ำจืดกลายเป็นน้ำแข็ง ในขณะที่ฉันกำลังจัดการถ้วยและสารละลายเกลือ วลาดิกได้สร้างการทดลองโดยไม่ได้ตั้งใจของเขาเอง

เขาเทน้ำ น้ำมันพืช ลงในแก้วแล้วนำไปแช่ในช่องแช่แข็งอย่างสุขุม วันรุ่งขึ้นฉันพบแก้วน้ำแข็งและน้ำมันขุ่นลอยอยู่ เราสรุปได้ว่าของเหลวต่างๆ มีอุณหภูมิจุดเยือกแข็งต่างกัน

น้ำเกลือในช่องแช่แข็งไม่แข็งตัว แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณโรยเกลือบนน้ำแข็ง มาเช็คกัน

สัมผัสน้ำแข็งและเกลือ

เอาน้ำแข็งสองก้อน โรยเกลือหนึ่งในนั้นแล้วปล่อยให้อีกอันหนึ่งเปรียบเทียบ เกลือกัดกร่อนน้ำแข็ง ทำให้เกิดร่องและทางเดินในก้อนน้ำแข็ง ตามที่คาดไว้ น้ำแข็งที่โรยด้วยเกลือจะละลายเร็วขึ้นมาก นั่นคือเหตุผลที่ภารโรงโรยเกลือบนทางเดินในฤดูหนาว หากคุณโรยเกลือบนน้ำแข็ง คุณไม่เพียงแต่สามารถชมการละลายได้เท่านั้น แต่ยังได้วาดรูปอีกเล็กน้อยด้วย!

เราแช่แข็งแท่งน้ำแข็งขนาดใหญ่แล้วโรยด้วยเกลือเอาแปรงและ ระบายสีน้ำแล้วเริ่มสร้างความงาม ลูกชายคนโต ใช้แปรงทาน้ำแข็ง และน้องคนเล็กใช้มือ

ความคิดสร้างสรรค์ที่มีประสบการณ์ของเรารวมกันเป็นหนึ่งเดียวทั้งครอบครัว ปากกาของ Makarushkin เข้าไปในเลนส์กล้อง!

Makar และ Vlad ดีมาก ทุกคนชอบที่จะแช่แข็ง . บางครั้งมีของที่ไม่คาดคิดอยู่ในช่องแช่แข็ง

ฉันใฝ่ฝันที่จะทำประสบการณ์นี้ตั้งแต่วัยเด็ก แต่แม่ของฉันไม่มีเสื้อคลุมขนสัตว์และอื่น ๆ อีกมากมาย ฉันไม่ต้องการเสื้อโค้ทขนสัตว์และไม่มีสิ่งทดแทน! ที่รักของฉันซื้อเสื้อโค้ทขนสัตว์ให้ฉันและตอนนี้ฉันขอนำเสนอประสบการณ์ที่ยอดเยี่ยมนี้แก่คุณ ในตอนแรก ฉันไม่รู้ว่าคุณจะตัดสินใจห่อไอศกรีมด้วยเสื้อโค้ทขนสัตว์ได้อย่างไร แม้ว่าคุณจะต้องการทดลองจริงๆ และถ้าการทดลองล้มเหลวจะล้างอย่างไรในภายหลัง โอ้มันไม่ใช่! ..

ฉันใส่ไอศกรีมในถุง :) ฉันห่อด้วยเสื้อคลุมขนสัตว์แล้วรอ ว้าว ทุกอย่างดีมาก! เสื้อขนสัตว์ไม่บุบสลาย และไอศกรีมละลายน้อยกว่าตัวอย่างควบคุมมาก โดยยืนอยู่ใกล้ๆ โดยไม่มีเสื้อคลุมขนสัตว์

การเป็นผู้ใหญ่ การได้เสื้อคลุมขนสัตว์และการทดลองต่างๆ ของเด็กๆ นั้นช่างดีเหลือเกิน!

เด็กชอบระบายสีและตกแต่ง และน้ำแข็งหลากสีก็ให้อารมณ์เชิงบวกมากมาย และช่วยให้คุณพัฒนาความคิดสร้างสรรค์ในเด็กได้ การทดลองนี้ไม่เพียงแต่ให้ความรู้ แต่ยังมีประโยชน์อีกด้วย ฉันให้สูตรอาหารสำหรับการทดลองที่สดใสยิ่งขึ้นสำหรับเด็กตอนนี้ ดาวน์โหลดชุดการทดลองที่เป็นประโยชน์สำหรับห้องปฏิบัติการที่บ้านของคุณ - "การทดลองกับน้ำ" เขียนความคิดเห็นเกี่ยวกับการทดลองและความปรารถนาของคุณ: ประสบการณ์ใดที่คุณต้องการเห็นบนหน้าเว็บไซต์ของเรา วิทยาศาสตร์เป็นเรื่องสนุก

Galina Kuzmina ของคุณ

หากคุณทำให้สารละลายเกลือในน้ำเย็นลง คุณจะพบว่าจุดเยือกแข็งลดลง องศาศูนย์ผ่านไปและไม่มีการแข็งตัว ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์เพียงไม่กี่องศาเท่านั้นที่ผลึกจะปรากฏในของเหลว เหล่านี้เป็นผลึกน้ำแข็งบริสุทธิ์ เกลือไม่ละลายในน้ำแข็งที่เป็นของแข็ง

จุดเยือกแข็งขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย โดยการเพิ่มความเข้มข้นของสารละลาย เราจะลดอุณหภูมิการตกผลึก สารละลายอิ่มตัวมีจุดเยือกแข็งต่ำสุด การลดลงของจุดเยือกแข็งของสารละลายนั้นไม่เล็กเลย ตัวอย่างเช่น สารละลายอิ่มตัวของเกลือแกงในน้ำจะแข็งตัวที่ -21 ° C ด้วยความช่วยเหลือของเกลืออื่น ๆ ทำให้อุณหภูมิลดลงมากยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น แคลเซียมคลอไรด์ช่วยให้คุณสามารถทำให้อุณหภูมิการแข็งตัวของสารละลายอยู่ที่ -55 องศาเซลเซียส

ให้เราพิจารณาว่ากระบวนการแช่แข็งดำเนินไปอย่างไร หลังจากที่ผลึกน้ำแข็งก้อนแรกหลุดออกจากสารละลาย ความแรงของสารละลายจะเพิ่มขึ้น ตอนนี้จำนวนสัมพัทธ์ของโมเลกุลแปลกปลอมจะเพิ่มขึ้น การรบกวนกระบวนการตกผลึกของน้ำก็จะเพิ่มขึ้นด้วย และจุดเยือกแข็งจะลดลง หากไม่ลดอุณหภูมิลงอีก การตกผลึกจะหยุดลง

ด้วยอุณหภูมิที่ลดลงอีก ผลึกน้ำ (ตัวทำละลาย) ยังคงแยกออกจากกัน ในที่สุด สารละลายจะอิ่มตัว การเพิ่มคุณค่าของสารละลายด้วยสารที่ละลายจะเป็นไปไม่ได้ และสารละลายจะแข็งตัวในทันที และหากเราตรวจสอบส่วนผสมที่แช่แข็งผ่านกล้องจุลทรรศน์ เราจะพบว่าประกอบด้วยผลึกน้ำแข็งและผลึกเกลือ

ดังนั้น สารละลายจะแข็งตัวแตกต่างจากของเหลวธรรมดา กระบวนการแช่แข็งจะขยายออกไปในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณโรยพื้นผิวที่เย็นจัดด้วยเกลือ คำตอบสำหรับคำถามนี้เป็นที่รู้จักกันดีในหมู่ภารโรง: ทันทีที่เกลือสัมผัสกับน้ำแข็ง น้ำแข็งจะเริ่มละลาย สำหรับปรากฏการณ์ที่จะเกิดขึ้น แน่นอนว่าจุดเยือกแข็งของสารละลายเกลืออิ่มตัวจะต้องต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศ หากตรงตามเงื่อนไขนี้ ส่วนผสมของเกลือน้ำแข็งจะอยู่ในภูมิภาคต่างประเทศของรัฐ กล่าวคือ ในบริเวณที่มีการคงอยู่ของสารละลายอย่างมั่นคง ดังนั้นส่วนผสมของน้ำแข็งและเกลือจะกลายเป็นสารละลาย เช่น น้ำแข็งจะละลาย และเกลือจะละลายในน้ำที่ได้ ในท้ายที่สุดน้ำแข็งทั้งหมดจะละลายหรือเกิดสารละลายของความเข้มข้นดังกล่าวขึ้นซึ่งมีจุดเยือกแข็งเท่ากับอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม

พื้นที่ลาน 100 ม. 2 ปกคลุมด้วยเปลือกน้ำแข็ง 1 ซม. - นี่ไม่ใช่น้ำแข็งเล็กน้อยประมาณ 1 ตัน ลองคำนวณว่าต้องใช้เกลือมากแค่ไหนในการทำความสะอาดลานถ้าอุณหภูมิ -3 ° C อุณหภูมิการตกผลึก (ละลาย) นี้มีสารละลายเกลือที่มีความเข้มข้น 45 กรัม/ลิตร น้ำประมาณ 1 ลิตร เท่ากับน้ำแข็ง 1 กิโลกรัม ซึ่งหมายความว่าต้องใช้เกลือ 45 กก. เพื่อละลายน้ำแข็ง 1 ตันที่อุณหภูมิ -3°C ในทางปฏิบัติ พวกเขาใช้ปริมาณที่น้อยกว่ามาก เนื่องจากไม่สามารถละลายน้ำแข็งทั้งหมดได้อย่างสมบูรณ์

เมื่อน้ำแข็งผสมกับเกลือ น้ำแข็งจะละลายและเกลือจะละลายในน้ำ แต่การหลอมละลายต้องใช้ความร้อน และน้ำแข็งก็ดึงเอาน้ำแข็งออกจากสภาพแวดล้อม ดังนั้นการเติมเกลือลงในน้ำแข็งจะทำให้อุณหภูมิลดลง

ตอนนี้เราเคยชินกับการซื้อไอศกรีมที่ผลิตจากโรงงานแล้ว ก่อนหน้านี้มีการเตรียมไอศกรีมที่บ้านและในเวลาเดียวกันส่วนผสมของน้ำแข็งและเกลือก็มีบทบาทเป็นตู้เย็น

น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิเท่าไหร่? ดูเหมือนว่า - คำถามที่ง่ายที่สุดที่แม้แต่เด็กก็สามารถตอบได้: จุดเยือกแข็งของน้ำที่ความดันบรรยากาศปกติ 760 มม. ปรอทคือศูนย์องศาเซลเซียส

อย่างไรก็ตาม น้ำ (แม้ว่าจะมีการกระจายอย่างกว้างขวางบนโลกของเรา) เป็นสิ่งที่ลึกลับและไม่เข้าใจมากที่สุด ดังนั้นคำตอบสำหรับคำถามนี้จึงจำเป็นต้องมีการสนทนาที่ละเอียดและมีเหตุผล

• ในรัสเซียและยุโรป อุณหภูมิจะวัดเป็นหน่วยเซลเซียส ซึ่งค่าสูงสุดคือ 100 องศา
• นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Fahrenheit ได้พัฒนามาตราส่วนของเขาเองด้วย 180 ดิวิชั่น
• มีหน่วยวัดอุณหภูมิอีกหน่วยหนึ่งคือ เคลวิน ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ทอมสัน ซึ่งได้รับฉายาว่าลอร์ดเคลวิน

สภาพและประเภทของน้ำ

น้ำบนดาวเคราะห์โลกสามารถรับสถานะการรวมตัวหลักได้สามสถานะ: ของเหลว ของแข็ง และก๊าซ ซึ่งสามารถแปลงเป็นรูปแบบต่างๆ ที่มีอยู่ร่วมกันได้พร้อมกัน (ภูเขาน้ำแข็งในน้ำทะเล ไอน้ำ และผลึกน้ำแข็งในเมฆบนท้องฟ้า ธารน้ำแข็ง และอิสระ -แม่น้ำไหล ).

ขึ้นอยู่กับลักษณะของแหล่งกำเนิด วัตถุประสงค์ และองค์ประกอบ น้ำสามารถ:

• สด;
• แร่;
• ทะเล;
• การดื่ม (รวมถึงน้ำประปา);
• ฝน;
• ละลาย;
• กร่อย;
• โครงสร้าง;
• กลั่น;
• ปราศจากไอออน

การปรากฏตัวของไอโซโทปไฮโดรเจนทำให้น้ำ:

1. แสงสว่าง;
2. หนัก (ดิวเทอเรียม);
3. หนักมาก (ไอโซโทป)

เราทุกคนทราบดีว่าน้ำสามารถนุ่มและแข็งได้: ตัวบ่งชี้นี้พิจารณาจากเนื้อหาของแคลเซียมไอออนบวกและแมกนีเซียม

แต่ละประเภทและสถานะรวมของน้ำที่เราระบุไว้มีจุดเยือกแข็งและจุดหลอมเหลวของตัวเอง

จุดเยือกแข็งของน้ำ

ทำไมน้ำถึงแข็งตัว? น้ำธรรมดามักจะมีอนุภาคแขวนลอยที่มีแร่ธาตุหรือแหล่งกำเนิดอินทรีย์อยู่เป็นจำนวนมาก อาจเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดของดินเหนียว ทราย หรือฝุ่นบ้าน

เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมลดลงจนถึงค่าที่กำหนด อนุภาคเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางที่ซึ่งผลึกน้ำแข็งเริ่มก่อตัว

ฟองอากาศเช่นเดียวกับรอยแตกและความเสียหายบนผนังของภาชนะที่มีน้ำสามารถกลายเป็นนิวเคลียสการตกผลึกได้ อัตราการตกผลึกของน้ำส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยจำนวนของศูนย์เหล่านี้: ยิ่งมีมากเท่าไร ของเหลวก็จะยิ่งแข็งตัวเร็วขึ้นเท่านั้น

ภายใต้สภาวะปกติ (ที่ความดันบรรยากาศปกติ) อุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟสของน้ำจากของเหลวเป็นสถานะของแข็งคือ 0 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมินี้น้ำจะแข็งตัวบนถนน

ทำไมน้ำร้อนถึงแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น?

น้ำร้อนจะแข็งตัวเร็วกว่าน้ำเย็น - Erasto Mpemba เด็กนักเรียนจาก Tanganyika สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้ การทดลองของเขากับมวลในการทำไอศกรีมแสดงให้เห็นว่าอัตราการแช่แข็งของมวลที่ร้อนนั้นสูงกว่าของเย็นมาก

เหตุผลหนึ่งสำหรับปรากฏการณ์ที่น่าสนใจนี้ ซึ่งเรียกว่า "Mpemba paradox" คือการถ่ายเทความร้อนที่สูงขึ้นของของเหลวร้อน เช่นเดียวกับการมีนิวเคลียสการตกผลึกจำนวนมากขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำเย็น

จุดเยือกแข็งของน้ำและระดับความสูงเกี่ยวข้องกันหรือไม่?

ด้วยการเปลี่ยนแปลงของความดัน ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับความสูงที่แตกต่างกัน จุดเยือกแข็งของน้ำเริ่มแตกต่างไปจากมาตรฐานอย่างสิ้นเชิง ซึ่งเป็นลักษณะของสภาวะปกติ
การตกผลึกของน้ำที่ความสูงเกิดขึ้นที่ค่าอุณหภูมิต่อไปนี้:

• ขัดแย้งกันที่ระดับความสูง 1,000 ม. น้ำจะหยุดที่ 2 องศาเซลเซียส
• ที่ระดับความสูง 2,000 เมตร สิ่งนี้เกิดขึ้นแล้วที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส

อุณหภูมิเยือกแข็งสูงสุดของน้ำในภูเขาอยู่ที่ระดับความสูงกว่า 5,000 พันเมตร (เช่น ในเทือกเขาฟานน์หรือปามีร์)

แรงดันส่งผลต่อกระบวนการตกผลึกของน้ำอย่างไร?

ลองเชื่อมโยงพลวัตของการเปลี่ยนแปลงในจุดเยือกแข็งของน้ำกับการเปลี่ยนแปลงของความดัน

• ที่ความดัน 2 atm น้ำจะแข็งตัวที่อุณหภูมิ -2 องศา
• ที่ความดัน 3 atm อุณหภูมิ -4 องศาเซลเซียส จะทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง

เมื่อความดันเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของการเริ่มต้นกระบวนการตกผลึกของน้ำจะลดลงและจุดเดือดจะเพิ่มขึ้น ที่ความดันต่ำ จะได้ภาพที่ตรงข้ามกันในแนวทแยง

นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมในสภาพของภูเขาสูงและบรรยากาศที่หายากจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะปรุงแม้แต่ไข่เนื่องจากน้ำในหม้อเดือดที่ 80 องศาแล้ว เป็นที่ชัดเจนว่าในอุณหภูมินี้มันเป็นไปไม่ได้เลยที่จะปรุงอาหาร

ที่ความดันสูง กระบวนการของน้ำแข็งละลายภายใต้ใบมีดของรองเท้าสเก็ตนั้นเกิดขึ้นได้แม้ในอุณหภูมิที่ต่ำมาก แต่ต้องขอบคุณเขาที่รองเท้าสเก็ตร่อนบนพื้นผิวน้ำแข็ง

การเยือกแข็งของรถเลื่อนที่บรรทุกหนักมากในเรื่องราวของ Jack London ได้อธิบายไว้ในลักษณะเดียวกัน เลื่อนหิมะหนักที่กดดันหิมะทำให้หิมะละลาย น้ำที่ได้ทำให้เลื่อนได้สะดวก แต่ทันทีที่รถเลื่อนหยุดและค้างอยู่ในที่เดียวเป็นเวลานาน น้ำที่เคลื่อนตัวกลายเป็นเยือกแข็ง จะทำให้รถไถลลื่นไถลไปตามถนน

อุณหภูมิการตกผลึกของสารละลายในน้ำ

เนื่องจากเป็นตัวทำละลายที่ดีเยี่ยม น้ำจึงทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์และอนินทรีย์ต่างๆ ได้ง่าย ทำให้เกิดสารประกอบทางเคมีที่บางครั้งคาดไม่ถึง แน่นอนว่าแต่ละตัวจะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่างกัน ลองใส่สิ่งนี้ในรายการภาพ

• จุดเยือกแข็งของส่วนผสมของแอลกอฮอล์และน้ำขึ้นอยู่กับเปอร์เซ็นต์ของส่วนประกอบทั้งสองในนั้น ยิ่งเติมน้ำลงในสารละลายมากเท่าใด จุดเยือกแข็งก็จะยิ่งเข้าใกล้ศูนย์มากขึ้นเท่านั้น หากสารละลายมีแอลกอฮอล์มากขึ้น กระบวนการตกผลึกจะเริ่มที่ค่าใกล้ -114 องศา

  สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าสารละลายแอลกอฮอล์ในน้ำไม่มีจุดเยือกแข็งคงที่ โดยปกติพวกเขาจะพูดถึงอุณหภูมิของการเริ่มต้นกระบวนการตกผลึกและอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงขั้นสุดท้ายไปสู่สถานะของแข็ง

  ระหว่างจุดเริ่มต้นของการก่อตัวของผลึกแรกและการแข็งตัวของสารละลายแอลกอฮอล์โดยสมบูรณ์จะมีช่วงอุณหภูมิ 7 องศา ดังนั้นจุดเยือกแข็งของน้ำที่มีแอลกอฮอล์ความเข้มข้น 40% ในระยะเริ่มต้นคือ -22.5 องศา และการเปลี่ยนแปลงสุดท้ายของสารละลายไปเป็นสถานะของแข็งจะเกิดขึ้นที่ -29.5 องศา

จุดเยือกแข็งของน้ำกับเกลือนั้นสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับระดับของความเค็ม: ยิ่งเกลือในสารละลายมากเท่าไหร่ ตำแหน่งของคอลัมน์ปรอทก็จะยิ่งเย็นลงเท่านั้น

ในการวัดความเค็มของน้ำจะใช้หน่วยพิเศษ - "ppm" เราจึงพบว่าจุดเยือกแข็งของน้ำลดลงตามความเข้มข้นของเกลือที่เพิ่มขึ้น มาอธิบายสิ่งนี้ด้วยตัวอย่าง:

ระดับความเค็มของน้ำทะเลอยู่ที่ 35 ppm ในขณะที่ค่าเฉลี่ยของการแช่แข็งอยู่ที่ 1.9 องศา ระดับความเค็มของน้ำทะเลดำอยู่ที่ 18-20 ppm ดังนั้นจึงกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิสูงขึ้นในช่วง -0.9 ถึง -1.1 องศาเซลเซียส

• จุดเยือกแข็งของน้ำกับน้ำตาล (สำหรับสารละลายที่มีโมลาลิตี 0.8) คือ -1.6 องศา
• จุดเยือกแข็งของน้ำที่มีสิ่งสกปรกส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปริมาณและลักษณะของสิ่งสกปรกที่ประกอบเป็นสารละลายในน้ำ
• จุดเยือกแข็งของน้ำที่มีกลีเซอรีนขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย สารละลายที่มีกลีเซอรีน 80 มล. จะแข็งตัวที่ -20 องศา เมื่อปริมาณกลีเซอรอลลดลงเหลือ 60 มล. กระบวนการตกผลึกจะเริ่มที่ -34 องศา และจุดเริ่มต้นของการแช่แข็งของสารละลาย 20% จะเป็นลบ 5 องศา อย่างที่คุณเห็น ไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นในกรณีนี้ หากต้องการแช่แข็งสารละลายกลีเซอรีน 10% อุณหภูมิ -2 องศาก็เพียงพอแล้ว
• จุดเยือกแข็งของน้ำที่มีโซดา (หมายถึง caustic alkali หรือ caustic soda) ให้ภาพที่ลึกลับยิ่งขึ้น: สารละลายโซดาไฟ 44% จะหยุดที่ +7 องศาเซลเซียส และ 80% ที่ +130

การแช่แข็งของน้ำจืด

กระบวนการก่อตัวของน้ำแข็งในแหล่งน้ำจืดเกิดขึ้นในระบอบอุณหภูมิที่แตกต่างกันเล็กน้อย

• จุดเยือกแข็งของน้ำในทะเลสาบ เหมือนกับจุดเยือกแข็งของน้ำในแม่น้ำ คือศูนย์องศาเซลเซียส การแช่แข็งของแม่น้ำและลำธารที่สะอาดที่สุดไม่ได้เริ่มต้นจากพื้นผิว แต่จากด้านล่างซึ่งมีนิวเคลียสการตกผลึกในรูปของอนุภาคตะกอนด้านล่าง ในตอนแรกอุปสรรค์และพืชน้ำถูกปกคลุมด้วยเปลือกน้ำแข็ง ทันทีที่น้ำแข็งด้านล่างลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ แม่น้ำก็จะแข็งตัวทันที
• น้ำที่แช่แข็งในทะเลสาบไบคาลบางครั้งอาจเย็นลงจนถึงอุณหภูมิติดลบ สิ่งนี้เกิดขึ้นเฉพาะในน้ำตื้นเท่านั้น อุณหภูมิของน้ำในกรณีนี้สามารถเป็นพัน และบางครั้งร้อยของหนึ่งองศาต่ำกว่าศูนย์
• อุณหภูมิของน้ำไบคาลภายใต้เปลือกน้ำแข็งที่ปกคลุมตามกฎแล้วไม่เกิน +0.2 องศา ในชั้นล่างจะค่อยๆเพิ่มขึ้นเป็น +3.2 ที่ด้านล่างของแอ่งที่ลึกที่สุด

จุดเยือกแข็งของน้ำกลั่น

น้ำกลั่นแข็งตัวหรือไม่? โปรดจำไว้ว่าเพื่อให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง จำเป็นต้องมีศูนย์การตกผลึกในนั้น ซึ่งอาจเป็นฟองอากาศ อนุภาคแขวนลอย และความเสียหายต่อผนังของภาชนะที่บรรจุอยู่

น้ำกลั่นปราศจากสิ่งเจือปนใดๆ ไม่มีนิวเคลียสของการตกผลึก ดังนั้นการแช่แข็งจึงเริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำมาก จุดเยือกแข็งเริ่มต้นของน้ำกลั่นคือ -42 องศา นักวิทยาศาสตร์สามารถบรรลุ supercooling ของน้ำกลั่นถึง -70 องศา

น้ำที่สัมผัสกับอุณหภูมิต่ำมากแต่ยังไม่ตกผลึกเรียกว่า "supercooled" คุณสามารถวางขวดน้ำกลั่นลงในช่องแช่แข็ง รักษาอุณหภูมิร่างกายให้ต่ำกว่าปกติ แล้วสาธิตเคล็ดลับที่มีประสิทธิภาพมาก - ดูวิดีโอ:

โดยการเคาะขวดเบาๆ ที่นำออกจากตู้เย็น หรือโดยการโยนน้ำแข็งชิ้นเล็กๆ ลงไป คุณสามารถแสดงได้ทันทีว่าขวดจะเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง ซึ่งดูเหมือนคริสตัลที่ยืดออกในทันที

น้ำกลั่น: สารบริสุทธิ์นี้จะแข็งตัวหรือไม่อยู่ภายใต้ความกดดัน? กระบวนการดังกล่าวเป็นไปได้เฉพาะในสภาพห้องปฏิบัติการที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษเท่านั้น

จุดเยือกแข็งของน้ำเกลือ

น้ำในทะเลและมหาสมุทรแตกต่างจากน้ำในแม่น้ำและทะเลสาบมาก มันเค็ม - และสิ่งนี้กำหนดคุณสมบัติหลายประการของมัน จุดเยือกแข็งของน้ำทะเลก็ขึ้นอยู่กับปัจจัยนี้เช่นกัน มันไม่เท่ากับ 0 °C เช่นเดียวกับน้ำจืด ทะเลต้องการน้ำแข็งที่แรงกว่าถึงจะปกคลุมไปด้วยน้ำแข็ง

เป็นไปไม่ได้ที่จะพูดอย่างชัดเจนว่าน้ำทะเลมีอุณหภูมิเท่าใด เนื่องจากตัวบ่งชี้นี้ขึ้นอยู่กับระดับของความเค็ม ในสถานที่ต่าง ๆ ของโลกมหาสมุทรนั้นแตกต่างกัน

เค็มที่สุดคือทะเลแดง ที่นี่ความเข้มข้นของเกลือในน้ำถึง41‰ (ppm) ปริมาณเกลือที่น้อยที่สุดในน่านน้ำของอ่าวบอลติกคือ5‰ ในทะเลดำ ตัวเลขนี้คือ 18‰ และในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน - 26‰ ความเค็มของทะเลอาซอฟคือ12‰ และถ้าเราหาค่าเฉลี่ย ความเค็มของทะเลจะอยู่ที่ 34.7‰

ยิ่งความเค็มสูง น้ำทะเลยิ่งต้องเย็นลงจึงจะกลายเป็นของแข็ง

เห็นได้จากตารางนี้ชัดเจน:

ความเค็ม ‰	จุดเยือกแข็ง, °C	ความเค็ม ‰	จุดเยือกแข็ง, °C
0 (น้ำจืด)		20	-1,1
2	-0,1	22	-1,2
4	-0,2	24	-1,3
6	-0,3	26	-1,4
8	-0,4	28	-1,5
10	-0,5	30	-1,6
12	-0,6	32	-1,7
14	-0,8	35	-1,9
16	-0,9	37	-2,0
18	-1,0	39	-2,1

ในกรณีที่ความเค็มยิ่งสูง เช่น ในทะเลสาบ Sivash (100 ‰) อ่าว Kara-Bogaz-Gol (250 ‰) ในทะเลเดดซี (มากกว่า 270 ‰) น้ำสามารถแข็งตัวได้เฉพาะค่าลบที่มีขนาดใหญ่มากเท่านั้น - ในกรณีแรก - ที่ -6.1 °C ในกรณีที่สอง - ต่ำกว่า -10 °C

สำหรับตัวบ่งชี้เฉลี่ยของทะเลทั้งหมด สามารถใช้ -1.9 ° C ได้

ขั้นตอนการแช่แข็ง

เป็นเรื่องที่น่าสนใจมากที่จะได้ชมว่าน้ำทะเลกลายเป็นน้ำแข็งได้อย่างไร มันไม่ได้ปกคลุมด้วยเปลือกน้ำแข็งที่สม่ำเสมอเหมือนน้ำจืดทันที เมื่อส่วนหนึ่งของมันกลายเป็นน้ำแข็ง (และมันสด) ปริมาตรที่เหลือจะกลายเป็นรสเค็มมากขึ้นและต้องใช้น้ำค้างแข็งที่แรงกว่าในการแช่แข็ง

ประเภทน้ำแข็ง

เมื่อน้ำทะเลเย็นลง น้ำแข็งชนิดต่างๆ จะก่อตัวขึ้น:

• พายุหิมะ;
• ตะกอน;
• เข็ม;
• ซาโล;
• นิลาส

หากทะเลยังไม่กลายเป็นน้ำแข็ง แต่อยู่ใกล้มาก และในขณะนั้นหิมะตกลงมา มันจะไม่ละลายเมื่อสัมผัสกับพื้นผิว แต่จะอิ่มตัวด้วยน้ำและก่อตัวเป็นก้อนหนืดๆ ที่เรียกว่าหิมะ เมื่อแช่แข็งโจ๊กนี้จะกลายเป็นกากตะกอนซึ่งเป็นอันตรายมากสำหรับเรือที่โดนพายุ ด้วยเหตุนี้ดาดฟ้าจึงถูกปกคลุมด้วยเปลือกน้ำแข็งทันที

เมื่อเทอร์โมมิเตอร์ไปถึงเครื่องหมายที่จำเป็นสำหรับการแช่แข็ง เข็มน้ำแข็งจะเริ่มก่อตัวในทะเล - ผลึกในรูปของปริซึมหกเหลี่ยมบางมาก เมื่อรวบรวมด้วยตาข่าย ล้างเกลือแล้วละลาย คุณจะพบว่ามันไม่จืด

ขั้นแรกให้เข็มเติบโตในแนวนอนจากนั้นจึงเข้าในแนวตั้งและมองเห็นเฉพาะฐานเท่านั้นบนพื้นผิว พวกมันคล้ายกับจุดไขมันในซุปเย็น ๆ ดังนั้นน้ำแข็งในระยะนี้จึงเรียกว่าน้ำมันหมู

เมื่ออากาศเย็นลง ไขมันจะเริ่มแข็งตัวและก่อตัวเป็นเปลือกน้ำแข็ง โปร่งใสและเปราะบางเหมือนแก้ว น้ำแข็งดังกล่าวเรียกว่านิลาสหรือขวด มีความเค็มแม้ว่าจะเกิดจากเข็มไร้เชื้อก็ตาม ความจริงก็คือในระหว่างการแช่แข็ง เข็มจะจับหยดน้ำเกลือที่อยู่รอบๆ ที่เล็กที่สุด

เฉพาะในทะเลเท่านั้นที่มีปรากฏการณ์เช่นน้ำแข็งลอย มันเกิดขึ้นเพราะน้ำที่นี่เย็นลงเร็วกว่าชายฝั่ง น้ำแข็งก่อตัวขึ้นที่นั่นกลายเป็นน้ำแข็งที่ชายทะเล จึงเป็นเหตุให้เรียกน้ำแข็งนี้ว่าน้ำแข็งเร็ว เมื่อน้ำค้างแข็งรุนแรงขึ้นในช่วงที่อากาศสงบ มันจะเข้ายึดพื้นที่ใหม่อย่างรวดเร็ว ซึ่งบางครั้งก็มีความกว้างถึงสิบกิโลเมตร แต่ทันทีที่ลมแรงพัดมา น้ำแข็งที่เร็วก็เริ่มแตกออกเป็นชิ้นขนาดต่างๆ น้ำแข็งที่ลอยอยู่เหล่านี้ซึ่งมักมีขนาดใหญ่ (ทุ่งน้ำแข็ง) ถูกลมและกระแสน้ำพัดพาไปทั่วทั้งทะเล ทำให้เกิดปัญหากับเรือ

อุณหภูมิหลอมเหลว

น้ำแข็งทะเลไม่ละลายในอุณหภูมิเดียวกับที่น้ำทะเลแข็งตัวอย่างที่ใครๆ คิด มีความเค็มน้อยกว่า (โดยเฉลี่ย 4 เท่า) ดังนั้นการเปลี่ยนกลับเป็นของเหลวจึงเริ่มต้นเร็วกว่าถึงระดับนี้ หากจุดเยือกแข็งเฉลี่ยของน้ำทะเลอยู่ที่ -1.9 °C อุณหภูมิหลอมละลายเฉลี่ยของน้ำแข็งที่ก่อตัวจากน้ำทะเลจะอยู่ที่ -2.3 °C

การแช่แข็งน้ำเกลือ: วิดีโอ

อ่านยัง

วิธีทำน้ำประปากลั่น
คุณรู้อะไรเกี่ยวกับจุดเดือดของน้ำ?
น้ำทะเลมีผลต่อเส้นผมอย่างไร?