8. Изменение состояния воды при замерзании

Определения и обозначения

Замерзание воды — переход воды из жидкого состояния в твёрдое при охлаждении. В результате образуется лёд. Это понятие помогает назвать изменение, которое происходит с водой на морозе.

Температура замерзания воды — температура, при которой вода при обычном давлении начинает превращаться в лёд. Она равна 0 °C. Это значение помогает определить, когда при охлаждении может начаться замерзание.

Лёд — вода в твёрдом состоянии. Он сохраняет форму, в отличие от жидкой воды, которая принимает форму сосуда. Это свойство позволяет отличить твёрдое состояние воды от жидкого.

Расширение воды при замерзании — увеличение её объёма при переходе в лёд. Иначе говоря, образовавшийся лёд занимает больше места, чем исходная вода. Это понятие объясняет, почему замерзающая вода может давить на стенки ёмкости.

Как это устроено

Когда вода охлаждается, она отдаёт тепло окружающей среде. Частицы воды движутся всё медленнее, потому что у них становится меньше энергии. При обычном давлении, достигнув 0 °C, вода начинает превращаться в лёд. Поэтому температура показывает, при каком охлаждении может начаться изменение состояния.

Во время замерзания жидкая вода становится твёрдой. В жидкости её частицы могут перемещаться, поэтому вода принимает форму сосуда. Во льду частицы удерживаются в более устойчивом порядке и не перемещаются свободно, как в жидкости. Поэтому лёд сохраняет собственную форму, хотя отдельный кусок может иметь разную форму и размер.

Вода при превращении в лёд занимает больше места, то есть расширяется. Это связано с тем, как частицы располагаются при образовании льда: они оказываются дальше друг от друга, чем в жидкой воде. Поэтому одинаковое количество воды и получившегося льда не занимает одинаковый объём. Это особенность воды, которую нужно учитывать, когда она замерзает в ограниченном пространстве.

Если закрытая ёмкость заполнена водой, расширяющийся лёд давит изнутри на её стенки. Когда стенки не выдерживают этого давления, бутылка может треснуть или разорваться. Похожее происходит в водопроводных трубах, если в них замерзает вода. Вода в трещинах камней тоже расширяется при замерзании и может постепенно увеличивать трещины.

Лёд легче воды, поэтому он не опускается на дно, а плавает на поверхности. Это связано с тем, что при замерзании тот же объём воды превращается в больший объём льда. Поверхность водоёма охлаждается первой, и образовавшийся лёд остаётся сверху. Поэтому замерзание водоёма начинается с поверхности, а не со дна.

Сравнение воды и льда

Сначала найди в таблице нужный признак, а затем сравни значения в двух столбцах. Строка об объёме показывает, что при замерзании вода расширяется, а строка о положении объясняет, почему лёд держится сверху.

Разбор задач

Задача 1. Воду охладили до 0 °C. Какое изменение может начаться?

Нужно выяснить, что происходит с водой при достижении температуры замерзания. Условие сообщает, что вода охладилась до 0 °C, но не говорит, что она уже полностью стала льдом. Поэтому в ответе назовём изменение, которое может начаться при этой температуре.

1. Вспомним, что при обычном давлении вода начинает замерзать при 0 °C.
2. Определим состояния: до изменения вода жидкая, а при замерзании образуется твёрдый лёд.
3. Сформулируем, что именно может начаться, не утверждая, что вода уже замёрзла целиком.

Ответ: при охлаждении до 0 °C может начаться замерзание — переход воды из жидкого состояния в твёрдое.

Задача 2. В бутылку налили воду, плотно закрыли и оставили на морозе. Что может произойти с бутылкой и почему?

Здесь важно учесть не только охлаждение, но и то, что вода находится в закрытой бутылке. Если она замёрзнет, её объём увеличится. Бутылка ограничивает пространство, поэтому расширяющийся лёд будет давить на её стенки.

1. Определим возможное изменение: вода на морозе может перейти в лёд.
2. Вспомним, что при этом объём воды увеличивается.
3. Свяжем увеличение объёма с бутылкой: давление на стенки может привести к трещине или разрыву.

Ответ: бутылка может треснуть или лопнуть, потому что замерзающая вода расширяется и давит на стенки.

Задача 3. В стакан налили 100 мл воды и заморозили. Сравнить объём льда с исходным объёмом воды и объяснить, будет ли лёд плавать в воде.

Нужно применить два свойства льда: расширение при замерзании и способность плавать в воде. Число 100 мл показывает исходный объём, но точное значение объёма льда для ответа вычислять не требуется. Достаточно сравнить объёмы и объяснить положение льда в воде.

1. Запишем исходный объём: вода занимала 100 мл.
2. Учтём расширение при замерзании: объём получившегося льда будет больше исходного объёма воды.
3. Учтём, что лёд легче жидкой воды, поэтому он будет держаться на её поверхности.

Ответ: льда получится по объёму больше, чем было воды, то есть больше 100 мл. В воде он будет плавать на поверхности.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при замерзании вода сжимается. Так рассуждают по аналогии со многими веществами, но вода при превращении в лёд расширяется. Проверь себя: если замерзающей воде не хватает места, она может повредить ёмкость или трубу.

Ошибка: путать температуру замерзания с температурой кипения. Обе температуры относятся к изменениям воды, поэтому их иногда смешивают. При обычном давлении вода замерзает при 0 °C, а кипит при 100 °C. Чтобы проверить себя, свяжи 0 °C с образованием льда, а 100 °C — с кипением.

Ошибка: думать, что твёрдый лёд обязательно тонет. Твёрдость сама по себе не определяет, будет ли предмет плавать. Лёд легче воды, поэтому остаётся на поверхности. Проверь ответ на примере ледяного куска в стакане воды.

Ошибка: считать объёмы воды и льда одинаковыми. В обычных ситуациях объём при превращении в лёд увеличивается, хотя количество воды при этом не становится больше. Для самопроверки вспомни, что именно расширение объясняет давление на стенки закрытой ёмкости.

Связь с другими темами

Для понимания замерзания нужно знать, что вещества могут находиться в твёрдом и жидком состояниях. Также пригодится представление о том, что при охлаждении вода теряет тепло. Эти знания помогают проследить переход воды из одного состояния в другое.

Свойства замерзающей воды связаны с темами о таянии льда и круговороте воды в природе. Они также объясняют, почему в мороз могут повреждаться водопроводные трубы. Значит, тема помогает понять и природные явления, и бытовые ситуации.

Что запомнить

• При охлаждении вода замерзает.
• Температура замерзания воды — 0 °C.
• При замерзании вода превращается в лёд.
• Лёд сохраняет форму.
• При замерзании вода расширяется.
• Лёд легче воды и плавает на её поверхности.