Що робить лід настільки слизьким. Додаткова інформація про книгу "Слизький"
Чому лід слизький?
Лід слизький тому, що він гладкий - скажете ви. Але що більш гладко-лід чи скло? Звісно, скло. Чому ж на ковзанах катаються льодом, а не склом? Найгостріші ковзани на скляній або полірованій кам'яній підлозі не ковзали б так легко, як по льоду. Значить діло в гладкості льоду, а в чомусь іншому.
Секрет полягає в тому, що на ковзанці ми ковзаємо не по льоду, а... по воді. При русі лід під ковзанами тане, і утворюється тонкий прошарок води.
Чому ж тане крига під ковзанами? Питання це не зовсім зрозуміле, але деякі вчені вважають, що причина цього знову-таки в терті. Між ковзанами і льодом розвивається сильне тертя. Як завжди, при терті виді-
ється тепло. Воно й нагріває лід у невеликих ділянках під лезом ковзана і лід там плавиться (рис. 17). Лід як би сам себе змащує.
Те саме виходить при катанні на лижах. Сніг під лижами тане в окремих місцях, і лижі легко ковзають тонкою плівкою води. Найкраще йдуть лижі приблизно за двадцяти градусів морозу. При такій температурі тепла, що виділяється при терті, вистачає на те, щоб сніг плавився в окремих місцях під лижами. По сухому «незмазаному» водою снігу ковзати зовсім не так легко.
Це особливо помітно у сильний мороз.
Полярники, яким доводилося ходити на лижах у тридцяти – ти-сороко-градусні морози, розповідають, що враження виходить начебто лижі тягнуться піском. Відбувається це тому, що за таких морозів сніг не тане під лижами і ковзати доводиться по сухому снігу.
Крім природного «мастила» водою, застосовують штучну; ще для більшого зменшення тертя лижі змащують особливою лижною маззю. Тертя сухого снігу об шар мастила менше, ніж про дерев'яні лижі.
Чи тільки сніг чи лід мають здатність змащувати себе? Виявляється, є й інший приклад. Тертя поршнів, що ковзають по стінках циліндрів двигунів, зменшується з часом. У чому тут річ? Виявляється, при нагріванні чавунних стінок циліндра, вуглець, що міститься у будь-якому чавуні, виділяється на їхній поверхні у вигляді тонкої плівки графіту - чорної блискучої речовини, з якої роблять олівцеві грифелі. Цей графіт і відіграє роль мастила. Його частинки дуже легко ковзають одна по одній, знижуючи тертя ковзання.
Прочитавши цю книжку, ви познайомилися з тертям; Ви дізналися, яке важливе значеннямають сили тертя в повсякденному життіта у техніці. . Тепер ви знаєте, які зустрічаються різновиди сил…
Наша розповідь про тертя добігає кінця. Ми дізналися, яке велике значеннямає тертя у повсякденному житті, на виробництві та транспорті; як важливо буває в одних випадках зробити тертя як …
Замінивши в кулькових підшипниках сухе тертя ковзання тертям кочення, інженери виграли велику битву проти тертя. Але про це не заспокоїлися на цьому. Залишалося ще перемогти застій. Застій, як ми знаємо, притаманний.
Дізнатися, чому можна ковзати льодом, вчені намагаються протягом останніх 150 років. 1849 року брати Джеймс і Вільям Томсон (лорд Кельвін) висунули гіпотезу, згідно з якою лід під нами плавиться тому, що ми на нього давимо. І тому ми ковзаємо вже не по льоду, а по плівці, що утворилася, води на його поверхні.Справді, якщо збільшити тиск, температура плавлення льоду знизиться. Відбувається це ось чому. Відомо, що щільність льоду менша, ніж води, і тому, коли лід стискають, він, намагаючись зменшити деформацію, викликану зростанням тиску, знижує температуру плавлення. Це один із проявів, так званого, принципу Ле Шательє - Зовнішній вплив, що виводить систему з термодинамічної рівноваги, викликає в ній процеси, що прагнуть послабити результати цього впливу.
Однак, як показали експерименти (див. малюнок зверху), щоб знизити температуру плавлення льоду на один градус необхідно збільшити тиск до 121 атмосфер (12,2 МПа). Спробуємо порахувати, який тиск чинить спортсмен на лід, коли ковзає по ньому на одному ковзані завдовжки 20 см і завтовшки 0,3 см. Якщо вважати, що маса спортсмена 75 кг, його тиск на лід складе близько 12 атмосфер. Таким чином, стоячи на ковзанах, ми навряд чи зможемо знизити температуру плавлення льоду більше, ніж на 0,1 про С. Отже, пояснити ковзання по льоду в ковзанах і, тим більше, у звичайному взутті, спираючись на принцип Ле Шательє, неможливо, якщо за вікном, наприклад, -10 про З.
| Скільки існує видів (фаз) льоду? | |
|---|---|
| Фаза | Характеристики |
| Аморфний лід | Аморфний лід не має кристалічною структурою. Він існує у трьох формах: аморфний лід низької щільності (LDA), що утворюється при атмосферному тискуі нижче, аморфний лід високої щільності(HDA) та аморфний лід дуже високої щільності (VHDA), що утворюється при високих тисках. Лід LDA отримують дуже швидким охолодженням рідкої води(«надохолоджена склоподібна вода», HGW), або конденсацією водяної пари на дуже холодній підкладці («аморфна тверда вода», ASW), або шляхом нагрівання високощільних форм льоду при нормальному тиску («LDA»). |
| Лід I h | Звичайний гексагональний кристалічний лід. Практично весь лід на Землі відноситься до льоду Ih, і тільки дуже мала частина - до льоду Ic. |
| Лід I c | Метастабільний кубічний кристалічний лід. Атоми кисню розташовані як у кристалічній решітці алмазу. Його одержують при температурі в діапазоні від -133 °C до -123 °C, він залишається стійким до -73 °C, а при подальшому нагріванні переходить у лід I h . Він зрідка зустрічається в верхніх шарахатмосфери. |
| Лід II | Тригональний кристалічний лід із високоупорядкованою структурою. Утворюється з льоду I h при стиску та температурах від -83 °C до -63 °C. При нагріванні він перетворюється на лід III. |
| Льод III | Тетрагональний кристалічний лід, який виникає при охолодженні води до -23 °C та тиску 300 МПа. Його щільність більша, ніж у води, але він найменш щільний з усіх різновидів льоду в зоні високих тисків. |
| Льод IV | Метастабільний тригональний лід. Його важко отримати без нуклеюючої затравки. |
| Лід V | Моноклінний кристалічний лід. Виникає при охолодженні води до -20 °C та тиску 500 МПа. Має саму складною структуроюв порівнянні з усіма іншими модифікаціями. |
| Лід VI | Тетрагональний кристалічний лід. Утворюється при охолодженні до -3 °C і тиску 1,1 ГПа. У ньому проявляється дебаївська релаксація. |
| Лід VII | Кубична модифікація. Порушено розташування атомів водню; у речовині проявляється дебаївська релаксація. Водневі зв'язки утворюють дві взаємопроникні ґрати. Це тугоплавкий лід: при тиску 40000 атм. він плавиться за нормальної температури +175 °З, при тиску 20 ГПа (200 тис. атм.) лід VII плавиться за нормальної температури 400°С. |
| Лід VIII | Більш упорядкований варіант льоду VII, Де атоми водню займають, очевидно, фіксовані положення. Утворюється з льоду VII при його охолодженні нижче 5 °C. |
| Лід IX | Тетрагональна метастабільна модифікація. Поступово утворюється з льоду IIIпри його охолодженні від -65 °C до -108 °C, стабільний при температурі нижче -133 °C та тисках між 200 і 400 МПа. Його щільність 1,16 г/см³, тобто дещо вища, ніж у звичайного льоду. |
| Лід X | Симетричний лід із упорядкованим розташуванням протонів. Утворюється при тиску близько 70 ГПа. |
| Лід XI | Ромбічна низькотемпературна рівноважна форма гексагонального льоду. Є сегнетоелектриком. |
| Лід XII | Тетрагональна метастабільна щільна кристалічна модифікація. Спостерігається у фазовому просторі льоду V та льоду VI. Можна отримати нагріванням аморфного льодувисокої щільності від -196 °C до -90 °C і при тиску 810 МПа. |
| Лід XIII | Моноклінний кристалічний різновид. Виходить при охолодженні води нижче -143 ° C та тиску 500 МПа. Різновид льоду V з упорядкованим розташуванням протонів. |
| Лід XIV | Ромбічний кристалічний різновид. Виходить при температурі нижче -155 °C та тиску 1,2 ГПа. Різновид льоду XIIз упорядкованим розташуванням протонів. |
| Лід XV | Різновид льоду VI з упорядкованим розташуванням протонів. Можна отримати шляхом повільного охолодження льоду VI приблизно до -143 ° C та тиску 0,8-1,5 ГПа. |
| Нові дослідження формування водяного льоду на рівної поверхніміді при температурах від -173 до -133 °C показали, що спочатку на поверхні виникають ланцюжки молекул шириною близько 1 нм не гексагональної, а пентагональної структури. | |
| Вигаданий лід-дев'ять – матеріал, описаний письменником-фантастом Куртом Воннегутом у романі «Колиска для кішки» – поліморфічна модифікація води, більш стійка, ніж звичайний лід (таючий при температурі 0 градусів Цельсія). Тане при температурі 114,4 °F (~45,8 °C), а при контакті з більш холодною рідкою водою поводиться як центр кристалізації для води, що стикається з ним, яка швидко твердне і теж перетворюється на лід-дев'ять. Таким чином, потрапивши в будь-яке водоймище, що так чи інакше сполучається зі Світовим океаном (за допомогою струмків, боліт, річок, підземних джерелта іншого) лід-дев'ять міг викликати кристалізацію більшої частини води Землі та згодом — загибель життя планети. Воннегут вигадав цю речовину під час роботи в General Electric. Коли він писав цей роман, було відомо лише вісім кристалічних модифікацій льоду. |
|
| Оскільки в природі існують різні ізотопи водню та кисню, то існують і різні видиводи (відповідно та льоду). Формально можливих «вод» з урахуванням усіх відомих ізотопів водню (7) та кисню (17) існує 476. Проте розпад майже всіх радіоактивних ізотопівводню та кисню відбувається за секунди або частки секунди (важливим винятком є тритій, період напіврозпаду якого понад 12 років). Тому має сенс говорити про 9 стабільних не радіоактивних модифікацій води та про 9 слаборадіоактивних. Тяжка вода D 2 O перетворюється на лід при +3,81 °C, а кипить при 101,43 °C. Надважка слаборадіоактивна вода T 2 O замерзає при +9 °C, кипить при 104 °C. |
У 1939 року, коли зрозуміли, що зниженням температури плавлення слизькість льоду не пояснити, Ф.Бауден (Bowden) і Т.Хьюз (Hughes) припустили, що тепло, необхідне плавлення льоду під ковзаном, дає сила тертя. Однак ця теорія не могла пояснити, чому так важко навіть стояти на льоду, не рухаючись. З початку 1950-х років вчені стали вважати, що лід слизький через тонку плівку води, що утворилася на його поверхні через якісь невідомі причини. Це випливало з дослідів, в яких вивчали силу, необхідну для того, щоб роз'єднати крижані кульки, що стосуються один одного. Виявилося, що нижча температура, то менше сила потрібна при цьому (див. малюнок внизу). Значить, на поверхні кульок є плівка рідини, товщина якої збільшується з температурою, коли вона ще набагато нижча за температуру плавлення. До речі, так вважав і М. Фарадей ще в 1859 році, не маючи на те жодних підстав.
Тільки наприкінці 1990-х років вивчення того, як розсіює лід протони, рентгенівське проміння, А також дослідження за допомогою AFM мікроскопії показали, що його поверхня не є впорядкованою кристалічною структурою, а скоріше схожа на рідину (див. мал. внизу). Такого ж результату дійшли й ті, хто вивчав поверхню льоду за допомогою ЯМР. Виявилося, що молекули води в поверхневих шарах льоду здатні обертатися з частотами в 100 000 разів більшими, ніж ті самі молекули, але в глибині кристала. Значить, на поверхні молекули води вже не знаходяться в кристалічній решітці.
Схематичне зображення кристала льоду в його глибині (низ) та на його поверхні.
Розташовані на поверхні льоду молекули води знаходяться в особливих умовах, т.к. сили, що змушують їх перебувати у вузлах гексагональної ґрат, діють на них лише знизу. Тому поверхневим молекулам нічого не варто «ухилитися від порад» молекул, що знаходяться в ґратах, і якщо це відбувається, то до такого рішення приходять відразу кілька поверхневих шарів молекул води. В результаті, на поверхні льоду утворюється плівка рідини, що служить гарним мастилом при ковзанні. До речі, тонкі плівки рідини утворюються не тільки на поверхні льоду, а й у деяких інших кристалів, наприклад свинцю.
Товщина рідкої плівки зростає зі зростанням температури, оскільки вища теплова енергіямолекул вириває з гексагональних ґрат більше поверхневих шарів. За деякими даними товщина водної плівки на поверхні льоду, що дорівнює при -5 градусах 100 нм, при -35 градусах зменшується в десять разів - до 10 нм, а при -170 градусах вона складається взагалі з одного шару молекул. Так, жителі Арктики розповідають, що тягнути по льоду сани за дуже низьких температурахте, що тягнути їх по піску (адже мастила в цьому випадку мало).
Наявність домішок (молекул, відмінних від води) теж заважає поверхневим шарам утворювати кристалічні грати. Тому збільшити товщину рідкої плівки можна, розчинивши в ній якісь домішки, наприклад, звичайну сіль. Цим і користуються комунальні служби, коли борються взимку зі зледенінням доріг та тротуарів.
Із книги К.Ю. Богданова "Прогулянки з фізикою".
Костянтин Богданов, Земля (Sol III).
Отже, лід слизький саме тому, що його молекулярна природа передбачає наявність тонкої плівки води на поверхні, яка відіграє роль мастила. Зі зниженням температури лід втрачає свою "слизьку" властивість.
За матеріалами:
На гладко натертій підлозі легше послизнутися, ніж на звичайному. Здавалося б, те саме має відбуватися на льоду, тобто. гладкийлід має бути більш слизький, ніж лід горбистий, шорсткий.
Але якщо вам траплялося везти навантажені ручні санки через нерівну, горбисту крижану поверхню, ви могли переконатися, що всупереч очікуванням сани прослизали по такій поверхні помітно легше, ніж по гладкій. Шорсткий лід слизькіший, ніж дзеркально гладкий! Це тим, що слизькість льоду залежить переважно від гладкості, як від зовсім особливої причини: від цього, що температура плавлення льоду знижується зі збільшенням тиску.
Розберемо, що відбувається, коли ми катаємось у санях чи на ковзанах. Стоячи на ковзанах, ми спираємося на дуже маленьку площу, всього кілька квадратних міліметрів. І на цю невелику площу цілком давить вага нашого тіла. Якщо ви згадаєте сказане в розділі другий про тиск, то зрозумієте, що ковзанярець тисне на лід зі значною силою. Під великим тиском крига тане при зниженою температурою; якщо, наприклад, лід має температуру - 5°, а тиск ковзанів знизило точку плавлення льоду, що зневажається ковзанами, більш ніж на 5°, то ці частини льоду тануть [Теоретично можна обчислити, що для зниження точки танення льоду на 1° потрібно дуже значний тиск у 130 кг на квадратний сантиметр. Чи роблять сани чи ковзаняр такий величезний тиск на лід? Якщо розподілити вагу саней (або ковзаняра) на поверхню полозів (або ковзанів), то вийдуть числа набагато менші. Це доводить, що до льоду прилягає впритулдалеко не вся поверхня полоз, а лише незначна частина її]. Що ж виходить? Тепер між полозами ковзанів і льодом знаходиться тонкий шар води, - не дивно, що ковзаня ковзає. І як тільки він перемістить ноги в інше місце, там станеться те саме. Усюди під ногами ковзаняра крига перетворюється на тонкий шар води. Такими властивостями з усіх існуючих тілмає тільки лід; один радянський фізикназвав його "єдиним слизьким тілом у природі". Інші тіла гладкі, але не слизькі.
[При теоретичному розрахунку передбачається, що з плавленні і лід, і вода перебувають під однаковим тиском. Автор описує приклади, коли вода, що утворюється при плавленні, знаходиться при атмосферному тиску. У цьому випадку потрібно менше тиску для зниження точки танення льоду. - Прим. ред.]
Тепер ми можемо повернутися до питання про те, гладкий або шорсткий лід слизькіший. Ми знаємо, що той самий вантаж тисне тим сильніше, чим на меншу площу він спирається. У якому разі людина робить на опору більший тиск: коли він стоїть на дзеркально гладкому чи на шорсткому льоду? Зрозуміло, що у другому випадку: адже тут він спирається лише на деякі виступи та горбики шорсткої поверхні. А чим більший тискна лід, тим рясніший плавлення і, отже, лід тим більше слизький (якщо тільки полоз досить широкий; для вузького полоза ковзанів, що врізається в горбики, це непридатно - енергія руху витрачається тут на зрізування горбків).
Зниженням точки танення льоду під значним тиском пояснюється і багато інших явищ повсякденному житті. Завдяки цій особливості льоду окремі шматки його змерзають разом, якщо їх сильно здавлювати. Хлопчик, стискаючи в руках груди снігу при грі в сніжки, несвідомо користується саме цією властивістю крижаних крупинок (сніжинок) змерзнутися під посиленим тиском, що знижує температуру їхнього танення. Катаючи снігова куля для “ снігової баби”, ми знову-таки користуємося зазначеною особливістю льоду: сніжинки в місцях зіткнення, в нижній частині кома, змерзаються під вагою маси, що натискає на них. Ви розумієте тепер, звичайно, чому в сильні морози сніг утворює сніжки, що розсипаються, а "баба" погано ліпиться. Під тиском ніг перехожих сніг на тротуарах поступово ущільнюється в кригу: сніжинки змерзають у суцільний пласт.
Всім дітям, безперечно, подобається лід, який взимку дарує стільки радості. Катання з гірки, на ковзанах – краса! Звідки ж з'являється крига? Де льоду найбільше? Чому крига слизька і чому крижини плавають? Чи можна побачити кригу влітку? На всі ці та інші питання відповість наша розповідь про кригу.
У природі крига зустрічається там, де холодно. І це недарма. Виявляється, що таке відома речовина, як вода, при охолодженні до певної температури твердне і перетворюється на лід. Отже, лід – це замерзла вода. Коли настає зима, поверхня річок та озер покривається льодом.
Чому крига не тоне у воді?
Чому ми спостерігаємо лід саме на поверхні води, а не десь у глибині? Причина в тому, що щільність льоду менша, ніж у води. За рахунок меншої щільності лід легший за воду і плаває на її поверхні.
Зміна щільності під час перетворення води на лід породжує цікаві ефекти. Наприклад, скляну пляшку з водою, виставлену на мороз, розриває на частини, коли вода у пляшці перетворюється на лід. Тому слід бути обережним під час охолодження напоїв на морозі.
Чому лід слизький?
А чому ж крига слизька? На це запитання знають відповідь вчені-фізики. Вони пояснюють, що при тиску на поверхню льоду (коли ми наступаємо на лід ногою або котимося по ньому на ковзанах) крига трохи плавиться і виникає тонка водяна плівка, яка забезпечує ковзання.
Властивість льоду – слизькість дуже подобається всім дітям. Як здорово взимку скотитися з високою крижаної гірки, покататися на ковзанці на фігурних ковзанах або пограти в хокей!
Чи завжди тане лід?
У нашій свідомості крига нерозривно пов'язана з зимою. А чи є місця на нашій планеті Земля, де крига не тане ніколи? Так, такі місця є. Це льодовики, що знаходяться на вершинах високих гірі в полярних областях Землі - в Арктиці та в Антарктиді. Причому найбільші запаси льоду накопичені саме у льодовиках Антарктиди, де товщина льоду подекуди сягає чотирьох кілометрів!
Льодовики, що стикаються з океаном, народжують айсберги. Айсберг - це частина льодовика, що відкололася від нього і вільно плаває в океані. Айсберги становлять певну небезпеку для мореплавців.
Практичне використання льоду
Здатність льоду накопичувати холод люди давно навчилися використовувати в практичних цілях. Ще в давні часи вони влаштовували штучні льодовики для зберігання продуктів, що швидко псуються. Такий льодовик був дерев'яний зруб, вкопаний у землю і накритий товстим шаром землі і дерну. Підземне приміщення, що вийшло, взимку наповнювали льодом, який не танув навіть влітку.
Що таке місто?
А чи може крига утворитися влітку? Так, таке можливо, якщо у дуже спекотний день вологі повітряні масипіднімуться на висоту вище 2,5 кілометрів, де температура повітря нижча за точку замерзання води. У таких умовах водяні краплі замерзають і тоді на землю випадає град – крижинки круглої або неправильної формирозміром від горошини до яйця голуби. Іноді градини бувають і більшого розміру. Град може становити небезпеку для людей, техніки, природи.
Вперше, коли ви наступаєте на льодову ковзанку, ви робите це боязко побоюючись падіння. Але що робить лід настільки слизьким? Цікаво, що вчені відповідають.
Фізики вірили, що лід слизький через вплив сили тіла. Цей тиск, який вони теоретизують, підвищує температуру плавлення верхнього шару льоду.
Коли людина катається на льоду, під тиском, викликаним металевим лезом ковзанів, тане лід. Цей тонкий шар води дозволяє ковзану плавно ковзати по поверхні. Після проходження льоду колія знову замерзає.
Однак більшість учених стверджують, що ця теорія є хибною. Лід – загадкове тіло, каже Роберт М. Розенберг, професор хімії в Університеті Лоуренса.
Дослідники виявили, що тиск, який знижує температуру плавлення льоду, становить лише невелике підвищення градуса. Натомість вони запропонували, що тертя ковзана змушує лід танути під ним.
Інші вважають, що лід природно має шар рідини, що складається з нестабільних. Хоча ці молекули прагнуть стабільності, вони хаотично рухаються льодом і створюють слизький шар.
Чому гаряча вода замерзає швидше?
Команда дослідників з Технологічного університетуНаньян у Сінгапурі вважає це гарною таємницею чому гаряча водазамерзає швидше за холодну. Це явище, яке здається абсолютно нелогічним, вже було помічено Аристотелем. Він розповідав, що деякі мешканці нинішньої Туреччинирозпорошували дошки своїх парканів гарячою водоюна які не можна було влізти, бо в такий спосіб вони замерзали швидше.
Однак до 70-х років він отримав назву, ефект Мемби. Ерасто Б. Мемба, який зрозумів у школі, що гаряча суміш для морозива замерзає швидше.
Але до цього часу вченим не вдалося знайти задовільного пояснення. На їхню думку, справа пов'язана з тим, як енергія зберігається у водневих зв'язках між молекулами води.
Як відомо, молекули води мають один атом кисню та два атоми водню, всі вони пов'язані ковалентними зв'язками(Обмін електронами).
У молекулах води атоми водню також притягуються до атомів кисню інших сусідніх молекулах води. Це називається водневим зв'язком. Але водночас молекули води загалом відштовхуються одна від одної.
Автори дослідження зазначають, що чим більше водинагрівається, тим більша відстаньміж молекулами обумовлено силою відштовхування з-поміж них. Це змушує молекули водню розтягуватися, тому енергія зберігається. Ця енергія, на думку дослідників, вивільняється, коли вода охолоджується, дозволяючи молекулам зблизитись.
Гаряча вода має Велика кількістьводневих зв'язків, ніж холодна вода. Тому вона зберігає більше енергії і більше виділяється при дії температури нижче нуля. Ось чому, кажуть дослідники, вона замерзає швидше за холодну воду.
