Aspid Green
18 июля 11:19.
50154

При нуле градусов по Цельсию вода замерзает или тает?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
19
6 ответов
Поделиться

Замечательный вопрос!

Действительно принято упрощённо считать, что 0℃ это температура замерзания воды или таяния льда. (Более того, сама шкала Цельсия была основана на паре 0℃ и 100℃ — замерзание и кипение воды при нормальных условиях). Логично, что возникает вопрос, а в каком именно состоянии будет находится вода непосредственно при нуле.

Если мы говорим о реальном мире, то достичь точной температуры "0℃" практически невозможно. Это всегда будет либо -0℃ (условно «чуть ниже нуля») или +0℃ («чуть выше нуля»). Соответственно, либо вода будет замерзать и превращаться в лёд, либо лёд будет таять. В среднем, за счёт примесей и неоднородностей, мы можем иметь смесь из воды с включение небольших кусков льда, либо влажный, подтаивающий кусок льда.

Но физика тем и замечательна, что любит оперировать моделями. Если предположить, что мы можем установить и каким-то образом поддерживать температуру точно 0℃. В этом состоянии оба агрегатных состояния — вода и лёд — равновероятны. Это значит, что если у нас есть кусок чистого льда, то он не будет таять, а чистая, без включений вода останется водой. В рамках такой модели нет условий для фазового перехода — таяния или замерзания. Если, к примеру, в этой модели начать каким-то образом отводить тепло от воды, она начнёт замерзать. К слову, её температура так и не опустится ниже 0℃, пока она вся не превратится в лёд. Повторюсь, это всё условно, но так проще понять процессы, которые в этом случае происходят.

Прежде всего давайте условимся, что вода у нас чистая, чего в химическом абсолютном смысле никогда не бывает, и давление у нас равно нормальному атмосферному, чего тоже не бывает, потому что даже в одном отдельно взятом стакане давление на поверхности и на дне разное. Но тем не менее мы так условимся. Ок? :)

При 0°С вода и тает и замерзает. Чтобы вполне уяснить себе происходящее представьте себе воду не как нечто целостное, а как движущиеся молекулы, которые и притягиваются и одновременно. Медленные перестают улетать от своих соседей и начинают колебаться друг около друга (тогда они являются частичками твёрдого вещества), а быстрые покидают своих соседей (тогда то, что из них составлено не может удержать свою форму и становится жидким).

Например, две молекулы, которые «притулились» друг к другу — это конечно же еще не лёд, и сто, и тысячу — тоже еще не лёд. Но где-то количество переходит в качество. Больше того, этот процесс находится в постоянном движении. Какие-то молекулы приплывают отдохнуть к этой куче, а какие-то опять уходят погулять. Только те, кто в середине более-менее стабильны — у них нет беспокойных соседей.

Вот так можно представить себе то, что происходит при температуре около 0°C. Но температура и давление неравномерны. (Теоретически, можно было бы говорить о «температуре» каждой отдельной молекулы, но оставим это нанотехнологиям). И можно подобрать такое соотношение температуры и давления, при которых в одном месте вода будет существовать не в двух (о чём был Ваш вопрос), а одновременно в 3 состояниях. Это называется Тройная точка воды.

Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Дело в том, что агрегатное состояние воды зависит от количества ее теплоты, измеряемого в джоулях. На примере: есть у вас некий объем льда. Окружающая температура равна нулям градусам по Цельсию (допустим, вода у нас без примесей и атмосферное давление соответствует нормальным условиям), но лед все равно не будет таять. Дело в том, что единице массы вещества необходимо сообщить количество теплоты, равное удельной теплоте плавления. Простыми словами, вам нужно еще тепло, чтобы заставить перейти вещество из состояния твердого в жидкое. То же самое с водой. Если поместить ее в среду, где температура равна нулям градусам, ничего не произойдет. Необходимо, чтобы вода сообщила окружающей среде энергию, равную произведению ее массы на удельную теплоту плавления. 

Данил Сорокинотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
Показать ещё 3 ответа
Ответить