Расширение воды при нагревании и сжатие при охлаждении, расширение при замерзании

Определения и обозначения

Тепловое расширение воды — увеличение объёма воды при нагревании. Объём — это место, которое занимает тело, например вода в сосуде. Когда вода расширяется, её количество не меняется, но ей требуется больше места. Это понятие помогает объяснить, почему при нагревании уровень воды в сосуде может подняться.

Сжатие воды при охлаждении — уменьшение её объёма при охлаждении до замерзания. Остывающая вода занимает меньше места, хотя её количество остаётся прежним. Сжатие можно представить как небольшое уменьшение пространства, занятого водой. Это понятие нужно, чтобы не путать охлаждение жидкой воды с её замерзанием.

Расширение воды при замерзании — увеличение объёма воды, когда она превращается в лёд. Получившийся лёд занимает больше места, чем вода, из которой он образовался. Это особенность воды: при переходе из жидкого состояния в твёрдое её объём не уменьшается, а растёт. Понятие помогает понять, почему лёд может повредить тесный сосуд.

Объём — место, которое занимает вода или лёд. Его можно сравнить по уровню жидкости в одинаковом сосуде или по тому, насколько заполнена ёмкость. Если вода заняла больше места, её объём увеличился; если меньше — уменьшился. Понимание объёма позволяет описывать изменения воды без путаницы с её количеством.

Как это устроено

При нагревании вода занимает больше места. Тепло усиливает движение частиц воды, и они в среднем располагаются немного дальше друг от друга. Поэтому прежнее количество воды уже не помещается в прежнем объёме так же, как раньше. В прозрачном сосуде это можно заметить: уровень воды поднимается, хотя воду не добавляли.

При охлаждении, пока вода остаётся жидкой, её объём постепенно уменьшается. Частицы движутся медленнее и в среднем сближаются, поэтому вода занимает меньше места. Это изменение происходит без потери воды: её количество остаётся тем же. Как только вода начинает замерзать, нельзя продолжать объяснять всё только сжатием — при превращении в лёд объём меняется иначе.

Когда вода замерзает, её объём увеличивается. При образовании льда частицы располагаются по-другому и образуют твёрдую структуру, которая занимает больше места. Поэтому одинаковое количество льда может занимать больше места, чем жидкая вода. Это и есть расширение воды при замерзании, а не прибавление нового вещества.

Изменение объёма можно наблюдать в простом опыте. Налей воду в прозрачный сосуд и отметь её уровень, чтобы было с чем сравнить результат. Затем осторожно нагрей воду или охлади её, не доводя до замерзания, и снова посмотри на уровень. Нагревание и охлаждение проводят только безопасным способом и под присмотром взрослого.

Если замерзающую воду оставить в плотно закрытом сосуде, ей может не хватить места для увеличения объёма. При расширении вода давит на стенки, крышку или дно ёмкости. Сосуд может треснуть или изменить форму, а заполненная водой труба — повредиться. Поэтому воду перед замораживанием не наливают в бутылку доверху и не закрывают её плотно.

Как меняется объём воды

Сначала найди в таблице, что происходит с водой, а затем сравни температуру и объём. Обрати внимание: при охлаждении жидкая вода сжимается, но во время замерзания расширяется. Таблица помогает не перепутать эти два разных изменения.

Разбор задач

Задача 1. В прозрачный сосуд налили воду и отметили её уровень. Сосуд осторожно нагрели. Что произойдёт с уровнем воды? Нужно определить, как нагревание влияет на объём, а затем связать изменение объёма с уровнем в сосуде.

1. Вспомним, что при нагревании вода расширяется.
2. Расширение означает, что то же количество воды занимает больше места.
3. Сосуд остаётся прежним, поэтому увеличившийся объём воды поднимает её уровень.

Ответ: уровень воды поднимется выше отметки. Количество воды не увеличилось, изменился только занимаемый ею объём. Наблюдать опыт нужно осторожно и вместе со взрослым.

Задача 2. Воду охладили, но она ещё не замёрзла. Как изменится её объём по сравнению с началом опыта? Важно уточнить, что вода осталась жидкой: тогда речь идёт об охлаждении до замерзания, а не о расширении при образовании льда.

1. Определим состояние воды: она жидкая и ещё не замёрзла.
2. При охлаждении жидкой воды её объём уменьшается.
3. Сравним результат с началом опыта: воды не стало меньше, но она занимает меньше места.

Ответ: объём воды станет меньше, чем в начале опыта. Если сравнивать уровень в том же сосуде, он понизится. При замерзании результат будет другим, потому что вода тогда расширяется.

Задача 3. В бутылку налили воду не до самого верха и поставили её в морозильник. Почему нельзя плотно наполнять бутылку водой перед замораживанием? Чтобы ответить, проследим, что происходит с водой после того, как она начнёт превращаться в лёд.

1. При замерзании вода расширяется и занимает больше места.
2. Если бутылка заполнена доверху, свободного места для увеличения объёма почти нет.
3. Расширяющаяся вода давит на стенки и крышку, поэтому бутылка может повредиться.

Ответ: бутылку не следует наполнять доверху и плотно закрывать перед замораживанием. Оставленное свободное место позволяет воде расшириться. Даже если бутылка кажется крепкой, давление может привести к трещине или деформации.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что при охлаждении вода всё время только сжимается. Так думают, потому что не отделяют охлаждение жидкой воды от её замерзания. Проверь себя: назови состояние воды — до замерзания объём уменьшается, при замерзании увеличивается.
• Ошибка: принимать увеличение объёма за увеличение количества воды. Уровень поднимается, и кажется, будто воды стало больше. Но при нагревании меняется занимаемое место, а не количество вещества; проверь это, вспомнив, что воду в сосуд не доливали.
• Ошибка: думать, что лёд занимает меньше места, чем вода. Можно спутать замерзание с обычным охлаждением, при котором жидкая вода сжимается. Проверь себя: сравни именно воду и лёд, образовавшийся из неё, — при замерзании объём увеличивается.
• Ошибка: плотно закрывать заполненный сосуд перед замораживанием. Кажется, что прочная ёмкость выдержит холод, но дело не только в холоде: расширяющейся воде нужно место. Проверь себя, задав вопрос, куда сможет увеличиться объём; оставляй свободное пространство и не закрывай сосуд плотно.

Связь с другими темами

Чтобы понять эту тему, нужно знать, что вода бывает жидкой и твёрдой. Нагревание и охлаждение изменяют температуру воды, а замерзание — это превращение жидкой воды в лёд. Если различать эти состояния, проще понять, почему объём меняется по-разному.

Изменения воды можно наблюдать в природе, например при замерзании водоёмов зимой. Знание о свойствах воды помогает объяснить, почему лёд появляется на поверхности и почему водоёмы зимой выглядят иначе, чем летом. Это также связывает тему с круговоротом воды в природе.

Расширение воды при замерзании важно учитывать в быту. В мороз вода в заполненных трубах и сосудах может замёрзнуть и увеличить объём. Если для расширения нет места, ёмкость или труба может повредиться.

Что запомнить

• При нагревании вода расширяется.
• При охлаждении до замерзания вода сжимается.
• При замерзании вода расширяется.
• Лёд занимает больше места, чем вода, из которой он образовался.
• Замерзающую воду нельзя заполнять в сосуде до краёв.