§ 22. Тепловое расширение воды

Определения и обозначения

Тепловое расширение воды — увеличение её объёма при нагревании выше 4 °C. Объём показывает, сколько места занимает вода. Это понятие помогает описать обычное изменение воды при повышении температуры и сравнить его с необычным поведением вблизи точки замерзания.

Тепловое сжатие воды — уменьшение её объёма при охлаждении или, в особом случае, при нагревании от 0 до 4 °C. Обычно тела при охлаждении сжимаются, поэтому первая часть определения привычна. Вторая часть напоминает, что вода в этом узком промежутке меняется не так, как большинство тел.

Аномальное расширение воды — необычное поведение воды при температуре от 0 до 4 °C: при нагревании её объём уменьшается. Слово «аномальное» означает «необычное». Это название помогает не забыть, что правило о расширении при нагревании здесь не подходит.

Плотность воды — масса воды в единице объёма, то есть количество вещества в определённом объёме. Если масса одной и той же порции воды занимает меньше места, плотность становится больше. Поэтому по изменению объёма можно понять, как меняется плотность.

Как это устроено

Если нагревать воду от 0 до 4 °C, её объём уменьшается. При нагревании частицы воды движутся активнее, но в этом температурном промежутке важнее особое устройство их взаимного расположения. Оно становится более плотным, и вода занимает меньше места. Поэтому этот случай отличается от привычного расширения тел при нагревании.

При 4 °C объём одной и той же порции воды наименьший. Масса этой порции не меняется, а она занимает меньше места, чем при других температурах в рассматриваемом диапазоне. Значит, в единице объёма содержится больше воды. Поэтому именно при 4 °C плотность воды наибольшая.

Если нагревать воду выше 4 °C, её объём увеличивается. При дальнейшем нагревании движение частиц становится интенсивнее, и им требуется больше места. Масса порции при этом остаётся прежней. Поскольку та же масса распределяется по большему объёму, плотность воды уменьшается.

При охлаждении воды с температуры выше 4 °C до 4 °C её объём уменьшается. Вода постепенно занимает меньше места, а её плотность увеличивается. Если продолжать охлаждение от 4 до 0 °C, объём снова начинает расти. Значит, охлаждение не всегда приводит к сжатию воды: направление изменения зависит от температуры.

Когда вода замерзает, её объём увеличивается. Поэтому такое же количество вещества в виде льда занимает больше места, чем в виде жидкой воды. Из-за большего объёма плотность льда меньше плотности жидкой воды. Лёд поэтому плавает на поверхности, а не опускается на дно.

Как изменяются объём и плотность воды при изменении температуры

Сначала найдите в первом столбце нужное изменение температуры. Затем проследите по этой строке, что происходит с объёмом и плотностью. Помните: таблица относится к одному и тому же количеству воды, поэтому его масса не меняется.

Разбор задач

Задача 1. Воду нагрели от 1 до 3 °C. Увеличится или уменьшится её объём?

1. Определим, к какому температурному промежутку относятся 1 и 3 °C. Обе температуры находятся между 0 и 4 °C.
2. В этом промежутке при нагревании вода не расширяется, а сжимается. Температура повысилась, значит, объём уменьшится.
3. Проверим ход рассуждения: конечная температура всё ещё ниже 4 °C, поэтому правило для нагревания выше 4 °C применять нельзя.

Ответ: объём воды уменьшится.

Задача 2. Воду нагрели от 4 до 10 °C. Как изменятся её объём и плотность?

1. Начальная температура равна 4 °C, а конечная выше 4 °C. Значит, при нагревании вода переходит в область обычного теплового расширения.
2. При нагревании выше 4 °C объём воды растёт. Масса этой порции не меняется, поэтому та же масса занимает больше места.
3. Если масса прежняя, а объём стал больше, плотность уменьшается. Так мы определяем оба изменения, не путая их направления.

Ответ: объём увеличится, плотность уменьшится.

Задача 3. Два одинаковых объёма воды имеют температуры 2 °C и 4 °C. В какой порции плотность больше? Объясним ответ.

1. Сравниваем температуры 2 и 4 °C. Для данного количества воды при 4 °C объём минимален, а плотность максимальна.
2. При 2 °C вода находится в диапазоне от 0 до 4 °C, но её плотность всё же меньше, чем при 4 °C. Сравнивать нужно свойства воды при этих температурах, а не только сами числа.
3. Следовательно, из двух порций большая плотность у воды с температурой 4 °C. Это соответствует правилу о наибольшей плотности воды при этой температуре.

Ответ: плотность больше у порции воды при 4 °C.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что при любом нагревании вода расширяется. Такое обобщение появляется, потому что большинство тел при нагревании действительно увеличивается в объёме. Но от 0 до 4 °C объём воды уменьшается. Проверьте себя: прежде чем назвать изменение, сравните обе температуры с отметкой 4 °C.

Ошибка — думать, что при охлаждении от 4 до 0 °C вода сжимается. Так рассуждают по привычному правилу для многих веществ, но вода в этом промежутке расширяется. Сверьте направление с изменением в обратном процессе: при нагревании от 0 до 4 °C объём уменьшается, значит, при охлаждении от 4 до 0 °C он увеличивается.

Ошибка — называть 0 °C температурой наибольшей плотности воды. Это легко перепутать с температурой замерзания, но замерзание и наибольшая плотность — не одно и то же. Спросите себя, при какой температуре данный объём воды минимален: это 4 °C, и при ней плотность максимальна.

Ошибка — объяснять плавание льда тем, что он «легче сам по себе» или теплее воды. Причина в том, что при замерзании вода расширяется, а плотность льда становится меньше плотности жидкой воды. Чтобы проверить объяснение, сравните объём одинакового количества воды до и после замерзания: у льда он больше.

Связь с другими темами

Для начала полезно знать общее правило: большинство тел при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается. Вода выше 4 °C подчиняется этому правилу, но вблизи замерзания ведёт себя иначе. Сравнение помогает увидеть, почему её называют необычной.

Здесь пригодится понятие плотности: это масса в единице объёма. Если масса не меняется, уменьшение объёма означает увеличение плотности, а увеличение объёма — её уменьшение. Эта связь объясняет, почему при 4 °C плотность воды максимальна.

Особенность воды помогает объяснить поведение водоёмов зимой и плавание льда. Лёд остаётся сверху, а вода под ним может сохраняться жидкой. Поэтому изменения объёма воды важны не только в опытах, но и в природе.

Что запомнить

• Вода ведёт себя необычно при температурах от 0 до 4 °C.
• При нагревании от 0 до 4 °C объём воды уменьшается.
• При 4 °C объём данного количества воды минимален.
• При 4 °C плотность воды максимальна.
• Выше 4 °C при нагревании вода расширяется.
• При замерзании вода расширяется, поэтому лёд плавает.