§ 38. Расширение воды при нагревании и сжатие при охлаждении, расширение при замерзании

Определения и обозначения

Расширение воды при нагревании — при нагревании объём воды увеличивается. Иными словами, вода занимает больше места. Это нужно учитывать, когда жидкость нагревают в бутылке, кастрюле или другой ёмкости.

Сжатие воды при охлаждении — при охлаждении воды от тёплого состояния до замерзания её объём уменьшается. Жидкость занимает немного меньше места. Такое изменение помогает понять, почему уровень воды может понижаться при охлаждении.

Замерзание воды — переход жидкой воды в лёд при охлаждении до температуры замерзания. Вода меняет не только температуру, но и своё состояние. Так жидкость превращается в твёрдое тело.

Расширение воды при замерзании — при превращении в лёд вода занимает больший объём, чем в жидком состоянии. Поэтому лёд может давить на стенки закрытой ёмкости. Это свойство объясняет трещины в трубах и бутылках зимой.

Как это устроено

При нагревании частицы воды движутся быстрее. Из-за этого они сильнее перемещаются и в среднем располагаются дальше друг от друга. Промежутки между частицами становятся больше, поэтому увеличивается общий объём воды. Например, уровень нагретой воды в почти полной ёмкости может подняться.

При охлаждении движение частиц замедляется. Частицы уже не расходятся так далеко, поэтому расстояние между ними уменьшается. Жидкая вода сжимается и занимает меньше места. Это происходит до того момента, пока вода не начнёт переходить в твёрдое состояние.

Вода при охлаждении ведёт себя необычно. Обычно при охлаждении вещества сжимаются, но при замерзании вода не продолжает уменьшаться в объёме. Частицы выстраиваются в особый порядок, похожий на каркас, и между ними остаются промежутки. Поэтому образовавшийся лёд занимает больше места, чем вода перед замерзанием.

Лёд занимает больше места, чем такое же количество жидкой воды. Количество воды при этом не исчезает и не появляется, меняется только занимаемый объём. При большем объёме та же масса вещества имеет меньшую плотность, то есть частицы в среднем расположены менее тесно. Поэтому лёд легче воды по плотности и плавает на её поверхности.

Расширение воды при замерзании опасно для закрытых ёмкостей. Вода превращается в лёд и стремится занять больше места, но стенки бутылки или трубы мешают этому. Возникает сильное давление изнутри. Если материал не выдерживает давления, ёмкость трескается, а труба повреждается.

Как меняется объём воды при нагревании и охлаждении

Сначала определите, что происходит с температурой или состоянием воды. Затем найдите в таблице изменение объёма и свяжите его с примером. Особенно внимательно сравнивайте охлаждение жидкой воды с её замерзанием: это два разных этапа.

Разбор задач

Задача 1

В бутылку налили воду почти до края и поставили в тёплое место. Нужно определить, что произойдёт с уровнем воды. Изменяется температура воды, но её состояние остаётся жидким.

1. Определяем процесс: вода нагревается.
2. Вспоминаем правило: при нагревании жидкая вода расширяется и занимает больший объём.
3. Сравниваем объём с размером бутылки: свободного места почти нет, поэтому уровень воды поднимется и вода может перелиться.

Ответ: уровень воды повысится, а при сильном нагревании вода может перелиться через край. Причина — расширение воды.

Задача 2

Воду в закрытой стеклянной бутылке оставили на морозе. Нужно объяснить, почему бутылка может треснуть. Вода сначала охлаждается, а затем замерзает.

1. При охлаждении жидкая вода немного сжимается.
2. Когда вода превращается в лёд, её объём увеличивается.
3. Закрытая бутылка не позволяет льду занять больше места, поэтому лёд давит на стеклянные стенки изнутри.

Ответ: бутылка может треснуть из-за расширения воды при замерзании. Стекло не выдерживает давления расширяющегося льда.

Задача 3

В стакане с водой плавает кусочек льда. Нужно сравнить объём и плотность льда с водой и объяснить его положение. Масса кусочка не исчезает при замерзании.

1. При замерзании вода расширяется, поэтому кусочек льда занимает больший объём, чем занимала бы такая же масса воды.
2. Та же масса, распределённая в большем объёме, имеет меньшую плотность.
3. Вещество с меньшей плотностью может плавать на веществе с большей плотностью, поэтому лёд частично погружается, но не тонет.

Ответ: лёд занимает больший объём и имеет меньшую плотность, чем такое же количество жидкой воды. Поэтому он плавает на поверхности.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что вода при любом охлаждении расширяется. Так думают, потому что помнят только необычное свойство льда. Проверьте себя: до начала замерзания жидкая вода сжимается, а расширение начинается при переходе в лёд.

Ошибка: путать нагревание и замерзание. В обоих случаях объём может увеличиваться, но при нагревании вода остаётся жидкой, а при замерзании становится льдом. Сначала назовите причину изменения температуры, а потом применяйте правило.

Ошибка: думать, что лёд тонет, потому что он твёрдый. Твёрдое состояние само по себе не определяет положение вещества в воде. Вспомните: лёд менее плотный, поэтому он плавает.

Ошибка: считать, что вода при замерзании становится легче. Количество воды не уменьшается, меняется только её объём. Сравнивайте одинаковую массу: лёд занимает больше места, но не теряет вещество.

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужно знать, что вода бывает жидкой и твёрдой. Также важно понимать, что вещество может переходить из одного состояния в другое при изменении температуры. Замерзание — пример перехода жидкости в твёрдое состояние.

Знания о расширении воды помогают объяснить зимние явления. Из-за замерзания могут лопаться трубы и ёмкости, а лёд на поверхности водоёмов образует плавучий слой. Под ним вода дольше сохраняет жидкое состояние.

Что запомнить

• При нагревании вода расширяется.
• При охлаждении жидкая вода сжимается.
• При замерзании вода расширяется.
• Лёд занимает больший объём, чем такое же количество жидкой воды.
• Лёд плавает на воде, потому что он менее плотный.
• Замерзающая вода может разорвать закрытую ёмкость.