Рассказать друзьям
Физика 16 ноября 2010

Расширение воды при замерзании

Наступает зима, а вместе с ней традиционно приходят аварии на водоопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текущей воды. При этом, как известно, происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы (для справки: плотность льда – 917 кг/м3, плотность воды – 1000 кг/м3, то есть объем увеличивается в 1.1 раза, что довольно существенно). Аналогичное явление происходит, если на зиму оставить воду в емкостях с водой (например, на даче).

Для изучения данного явления в домашних условиях используем обычную консервную банку. В данной банке изначально было концентрированное молоко, которое было вылито через два аккуратно пробитых отверстия. Затем в банку заливается вода – так, чтобы внутри не осталось воздуха. Проще всего это сделать, погрузив ее в кастрюлю с водой. Когда из банки перестанет выходить воздух, она будет полностью заполнена водой.

После этого аккуратно запаиваем отверстия и помещаем нашу банку в морозильную камеру (зимой можно на улицу). Если подождать день-два, то станет хорошо заметно, как расширившаяся вода (лед) выдавила нижнюю крышку банки.


В качестве домашнего задания предлагаю следующие вопросы:

1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю? (хорошо видно на видео)

2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить? Если повторить такую процедуру несколько раз?

Видео

Комментарии ( 39 )
  • 0lympian 16 ноября 2010, 12:41
    Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой? О_о

    Ничего не получится – это уже опыт по теплопроводности и теплоемкости smile
  • 0lympian 16 ноября 2010, 12:47
    > 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?

    Подозреваю, что в результате того, что лед легче незамерзшей воды, первые кристаллы льда всплывают, комбинируясь друг с другом и в верхней части замерзание происходит быстрее.

    Стоит отметить, что с другой стороны, есть конвекция, которая будет действовать ровно наоборот, поднимая более теплую воду наверх, и препятствуя там ледообразованию. Однако мне кажется, что при медленном равномерном промерзании этот эффект нивелируется.

    Ну а далее уже готовый лед, сформировавшийся в верхней части еще до сильного расширения, в некоторой степени "держит форму", не позволяя сильно деформироваться крышке.
  • 0lympian 16 ноября 2010, 12:49
    > 2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить?

    Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

    Ну а при последующих циклах, пожалуй, баночка помнется еще сильнее, пока не порвется smile
  • Administrator 16 ноября 2010, 19:07
    Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой?

    Согласен. Идеальное запаивание тут не получается. Так, наляпывание припоя сверху, лишь бы вода не вытекала. Кстати, в месте пайки действительно образуется водяной пар при нагреве паяльником.

    Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

    Если бы баночка была абсолютно герметична – тогда да, вдавилась бы боковая стенка. А так все равно воздух проникает. Поэтому после разморозки получается, что сверху появляется воздух, во время заморозки дно выдавливается еще сильнее, и так далее, пока совсем его не вырвет.

    P. S. Сегодня разморозил банку, и поставил на второе замораживание. Посмотрим, что из этого получится...
  • владимир 16 ноября 2010, 20:32
    1. пробовал запаять не выходит! смог только заварить полуавтоматом (электро–сваркой) заморозил, разморозил дно не втянулось подумал из–за воздуха, взял другую банку впаял пипку от камеры проверил воздухом на 2 атм утечек нет залил воды воздуха нет! заморозил разморозил бока почти не втянулись проверил через час появилось избыточное давление и мне кажется что при заморозке и разморозке воды выделяется растворенный в ней воздух потому и бока не втягиваются
    2, вода кристаллизуется сверху (река зимой, бочка с водой) лед легче воды, думаю, что и холодно–проводность.
  • Administrator 17 ноября 2010, 14:53
    Владимир, вы серьезно подошли к эксперименту. smile Не написали самое главное – какие банки брали, и что произошло с ними при заморозке воды.
  • владимир 17 ноября 2010, 21:27
    банка такая же как и ваша из–под молока произошло все анологично как у вас после разморозки слегка спало напряжение размораживал при комнатной температуре мне кажется стоит учитывать температуру воды в моем случае это 7 градусов, а комнатная 25 градусов тоже наверное влияет. сейчас проверяю что будет если банки положить набок швом к верху и швом к низу!
  • Administrator 18 ноября 2010, 06:21
    сейчас проверяю что будет если банки положить набок швом к верху и швом к низу!

    Интересно! Дайте ссылки на фотографии результатов, если будет возможность.
  • Евгений 12 января 2011, 18:01
    > 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?
    Пологаю что процесс заморозки, учитывая то что банка находилась в пластиковой таре, протикал не ровномерно. Первым стала замерзать верхняя часть банки потому как она была ближе к холоду нижняя же часть нахоидась там где между стенками пластика и ж. банки находился воздух чуть теплее чем с верху. Далее обледенение внутр верхней части банки придовало ей дополнительную прочность но превращаясь в лед вода расширялась и давила на жидкость в нижней части ж. банки.
  • гражданина 13 июля 2011, 20:46
    > 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?

    1. лед образуется сверху. это обусловлено тем, что остывающая (а не замерзающая вода как пишет автор) поднимается к верху за счёт того что при остывании (от 4 градусов до 0) плотность уменьшается.
    2. остывающая (а не замерзающая вода как пишет автор) за счет увеличения обьема давит уже не на крышку а на ледяную "шайбу" которая распределяет усилие по всей площади крышки равномерно. наиболее "слабая" часть крышки (от центра) подвергается такому же давлению что и наиболее "сильные" части (возле боковых стенок). вследствие этого усилие создаваемое остывающей водой гаситься "сильной" частью крышки. в нижней же части льда нет, вода давит на "сильные" части, они не прогибаются, общее давление переходит на "слабые" части, не поглощаясь "сильными" (потому что усилие через воду передается во всех направлениях). както вот так.
  • Wulkan 24 августа 2011, 08:24
    Запаивание банки это все ерунда, на даче стояла бочка с водой без крышки, и к весне у нее выдавило днище. скорее всего промерзание идет сверху вниз и внизу создается избыточное давление. лед примерзший к стенкам не дает расширения вверх
  • Andrey 23 октября 2011, 04:17
    Тов. Ученые! А может кто подскажет какое давление оказывает замерзающая вода и образовавшийся лед на стенки сосуда?
  • Scolar 4 ноября 2011, 12:27
    Спасибо, интересный эксперимент! Особенно интересно, что именно нижняя крышка выдавилась. Интересно, это зависит от того, стоит ли банка на ней в морозильнике, или подвешена, к примеру, на пластиковых элементах? Существует также такой фактор, как плавление воды при повышении давления (зависит также от температуры), из–за чего коньки скользят по льду и т. д.
  • Kalstrams 1 мая 2012, 20:53
    Не мудрите. Продавило низ, потому что гравитация работает и на эту банку + то, что с низу самая большая плотность воды при замерзании, по-этому не верху банально не было столько же массы для расширения, сколько ее было снизу.

    Давление вычислит можно по p1/p2sad(n вода)/(n лед))*T1/T2

    Выдавится всегда нижняя крышка, разве что банка будет замерзать в условии постоянного вращения. Или в условии отсутствия воздействия гравитации.

    Что-бы получить температуру льда для уравнения выше, мерим температуру банки, Q1=Q2, Q1=c*m*dT (банка)
    Q2=c2*m2*dT2 + dL*m + c3*m2*dT3
    вода охлаждается + вода кристаллизуется + лед охлаждается
    dT3sadc*m*dT-c2*m2*dT2-dL*m)/(c3*m2)

    Это будет изменение температуры льда.
    Подставите его в T=0+273-dT3 - будет температура Т2.
    Температура T1 - воды - термометром когда вода войдет в термодинамическое равновесие с банкой.

    p2 - давление льда, p1=pa+((m*9.8)/S(дна))

    Вроде бы и все.
    Получите p2, который будет равен величине давления, необходимого что-бы выдавить вашу банку на сколько-то.

    В упрощенной форме эта задача выглядит так, и результат не абсолютно точен. Для точности тут надо было-бы проинтегрировать, да думаю это перебор.

    Надеюсь ничего не упустил.
  • Саша 13 декабря 2012, 16:14
    Рассматриваемый эффект происходит из-за того, что действительно плотность льда меньше плотности воды, следовательно в начальном этапе происходит замерзание верхних слоёв (сверху вниз). Когда верхние слои замерзают, они взаимодействуют со стенками сосуда (сила трения!). В конечном этапе замерзания эта сила трения о стенки больше чем сила противодействия нашего донышка. Донышко поэтому и выдавливает.
  • Иван 7 ноября 2014, 06:54
    0lympian,   как вы знаете, при остывании воды тёплые её слои будут подниматься вверх, а холодные опускаться в низ, этот эффект наблюдается до 4 градусов Цельсия (наибольшая плотность воды) и перемещения слоёв не будет до тех пор, пока вода не охладится на всю глубину до 4х градусов. После этого происходит кристаллизация молекул ( плотность их меньше плотности воды при 4х градусах) и они поднимаются вверх, образуется лёд у верхней крышки банки, а в процессе дальнейшего замерзания льду проще выдавить нижнюю крышку банки чем преодолеть сопротивление образовавшейся на верху "ледяной пробки" (по пути наименьшего сопротивления).
  • Александр 9 января 2015, 11:14
    У меня вопрос. Меня интересует вода в неполном баке для воды. Когда замёрзнет - вскроет шов, или нет?
  • Scolar 10 января 2015, 22:08
    Александр,   неполный бак не вскроет, т.к. в местах давления лёд будет плавиться.
  • Александр 11 января 2015, 07:44
    Спасибо Вам большое! Я понимаю, что вопрос мог показаться примитивным, уровень школьной программы по физике, но я - гуманитарий, а в школе, мягко выражаясь, к точным наукам не "тянуло". Хотя, некоторые позиции в физике и особенно в геометрии меня привлекали. Я предполагал, что есть место при расширении льда, но не был уверен - значит бак просто проржавел в стыке. Ещё раз спасибо за ответ! Спасибо, ещё раз за ответ, с прошедшими праздниками! С Уважением. Александр.
  • peta 19 июня 2015, 07:55
    Принято кидать в баки с водой или бассейны бутылки. которые не позволяют порваться бассейну или баку зимой. Подскажите, почему это работает?
  • Administrator 20 июня 2015, 03:23
    peta, насколько я понимаю, посторонние предметы (доски, поленья, бутылки) в замерзающей воде мешают сформироваться цельному куску льда. Который как раз и давит в стороны и вниз. Вместо этого имеем несколько кусков, которые могут смещаться относительно друг друга и поэтому не давят на стенки и дно бака.
  • polpol 9 ноября 2015, 11:06
    А если вопрос несколько по иному рассмотреть?
    Что сделать чтобы расширение воды при превращении в лёд происходило в нужном нам направлении?
    Вода замерзает, а расширение льда происходит только вверх. На боковые стенки и на дно расширяющийся лёд оказывает давления. Или расширение только вниз. И вообще куда нам надо, в ту сторону лёд и расширяется.
  • polpol 9 ноября 2015, 11:08
    На боковые стенки и на дно расширяющийся лёд НЕ оказывает давления.

    Пропустил "НЕ" оказывает
  • fe.drovosek 7 января 2016, 16:17
    Вопрос насчёт расширения воды при замерзании вот в чём,если при таиньи ледников объём воды поотношению к объёму льда будет меньше на 1.1раза,то будет ли потоп о котором все трубят..?
  • fe.drovosek 7 января 2016, 16:45
    peta в бак с водой ставят пол.ено защёт него выходит избыточное давление после обледенениянаружных стенок и шапки(верхний лёд). Также и с бутылками (пластиковыми). Лучше оставлять бассейн, на половину полный,чтоб давление мёрзлой земли и лёд в нём кампенсировали друг друга.
  • fe.drovosek 7 января 2016, 17:01
    Администратор_выдавит дно и крышку,т.к. целиндр прочнее чем плоское дно без жосткости.
  • Александр 23 января 2016, 10:04
    А вы не подумали над тем, что банка металлическая и имеет свойство сжиматься в мороз, и расширяться при плюсовой температурите?
  • Эдуард 26 марта 2016, 07:35
    А ведь банка из-под молока? А молоко - жировая эмульсия. А вы банку обезжиривали изнутри? А если нет, то жир создал мономолекулярный слой на поверхности воды в банке, так? Может, еще и это повлияло? ну, и известно, что давление больше в том направлении, где слабее противодействие ему. Поэтому, если заиерзание происходит сверху вниз, то оставшаяся незамороженной вода, замерзая, давит туда, где массивного льда еще нет? То есть - на относительно пластичную нижнюю крышку, дно?
  • Владимир Немов 25 сентября 2016, 16:13
    кто что пишет , и ни один не ответил , почему лопается закрытая стеклянная банка полная. Я на днях зарубился на спор , что лопается она потому , что вода свой объём не меняет , а стекло сжимается от холода, а сжиматься некуда, вот банка и лопается..Меня обсмеяли , но я точно помню что говорил учитель физики. А может что то запамятовал ? Поправьте меня..
  • Владимир Немов 25 сентября 2016, 16:15
    и сейчас уверен , что я прав .
  • Administrator 25 сентября 2016, 17:14
    Владимир Немов, вода как раз меняет объем: плотность воды = 1, а плотность льда = 0.9. То есть при замерзании получается резкий скачок занимаемого объема. А так как банка имеет неизменный объем, то вот и лопается. Еще плохо то, что это стекло - трещина идет сразу по всей банке. Я как-то "запорол" трехлитровую банку, в которой случайно замерз от силы литр воды - треснула полностью.
  • Владимир Немов 25 сентября 2016, 19:54
    Если Вы человек знающий, спорить не буду, но что то не даёт покоя, что то не так ...Стекло при замерзании не стремится уменьшиться в объёме ?А металл ? Вот где прячется наверное ответ ! Но за Ваше разъяснение всё равно спасибо .
  • Administrator 26 сентября 2016, 08:13
    Владимир Немов, разумеется, стекло уменьшается в объеме, но только при изменении температуры (например, с нуля до -20 С). А замерзание воды (фазовый переход) идет строго при нуле. Пока вся вода не замерзнет, температура так и не сдвинется с нуля. Так что емкость в этот момент никак не меняет свой объем.
  • Владимир Немов 26 сентября 2016, 17:51
    Спасибо.
  • Артём 7 ноября 2016, 10:32
    Добрый день!

    Подскажите пожалуйста. Сколько и на каком морозе может находится банка с водой, чтобы не треснуть.
  • Шершавый 14 ноября 2016, 03:10
    Замерзающая вода выдавливается через нижнюю крышку, потому что потенциальная энергия воды-льда не увеличивается, поэтому центр масс становится ниже
  • дим 14 ноября 2016, 15:36
    При замерзании воды происходит расширение и энергия поглощается. Объём воды резко увеличивается. Когда вода была в жидком состоянии и поглощала энергию при нагреве её, то объём тоже увеличивался. При переходе в пар наблюдаем тоже самое.
    В любых случаях при поглощении энергии объём тел увеличивается.
  • дим 14 ноября 2016, 15:39
    При изменении агрегатного состояния вещества и одновременном поглощении энергии объём тел увеличивается.
  • Administrator 17 ноября 2016, 18:30
    Артем, по моим наблюдениям - не очень долго. Как только сверху образуется сплошная корка льда, стекло должно треснуть.

    Вопрос, конечно, очень интересный.
Ваш комментарий
 
Кому:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Комментарий:
 
  гостевые комментарии проверяются модератором