Плавление льда под давлением и аномальное кипение воды: научный эксперимент

Плавление льда под давлением: принцип и демонстрация. В физике агрегатных состояний существует третий способ перехода льда в жидкую фазу, помимо нагрева, — плавление под действием давления. Если бы человек обладал достаточной силой, он мог бы растопить ледяной кусок, сжав его в руке. Поскольку это невозможно, для демонстрации эффекта используются специальные механические приборы. Данное явление закономерно, учитывая факт расширения воды при кристаллизации. Принудительное препятствование увеличению объема не позволяет воде перейти в твердое состояние.

Описание экспериментальной установки. На рис. 34 А изображена металлическая трубка с массивными стенками, внутренней винтовой нарезкой и двумя запирающими винтами ВС и DE. Металлический шар F помещен в пространство CD, заполненное водой.

Прибор устанавливается вертикально, охлаждается смесью льда и поваренной соли, что приводит к замерзанию воды и вмерзанию шара. После этого трубку переворачивают, а винты ввинчивают глубже, создавая внутри системы высокое давление. Последующее извлечение винта Е демонстрирует, что шар переместился в точку D, словно пройдя сквозь лед.

Объяснение наблюдаемого явления. Повторение процедуры с противоположного конца возвращает шар в исходное положение. Кажущееся прохождение шара сквозь лед объясняется фазовыми переходами. Под действием высокого давления лед локально плавится, шар падает, а после снятия нагрузки вода рекристаллизуется. Факт плавления подтверждается характерным ударом шара при перевороте трубки под давлением. Таким образом, в момент приложения силы в области шара существует вода, а не лед.

Физические основы эффекта режеляции. Экспериментально подтверждается, что давление способствует переходу льда в воду. Это следствие аномального свойства воды расширяться при замерзании. Если препятствовать расширению, процесс кристаллизации не происходит. Вынужденное возвращение уже образовавшегося льда в меньший объем приводит к обратному переходу в жидкое состояние, которому свойственна более высокая плотность. Данный процесс известен как режеляция.

Аномальное кипение в локально нагреваемом сосуде. Если нагревать пробирку с водой на горелке Бунзена или спиртовке, удерживая пламя у середины сосуда, наблюдается парадоксальный эффект.

На рис. 37 показано, как пламя касается только центральной части пробирки.

При этом верхний слой воды интенсивно кипит, а дно пробирки и нижняя часть жидкости остаются холодными, позволяя держать сосуд рукой.

Механизм конвекции и теплопередачи. Нагреваемая вода расширяется, ее плотность уменьшается, и она становится легче. Более тяжелые холодные слои, стремясь вниз, вытесняют нагретую жидкость вверх. Пока продолжается подвод тепла, возникает циркуляционное движение, показанное на рисунке стрелками. В результате в верхней части устанавливается кипение, почти не затрагивая холодную воду внизу. Этот процесс иллюстрирует роль естественной конвекции в теплопередаче.

Демонстрация с использованием льда. Явление становится еще нагляднее при помещении на дно пробирки куска льда. Поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он стремится всплыть. Для его фиксации можно использовать металлический груз с отверстием. Удивительно, что большая часть льда при этом не тает, в то время как вода непосредственно над ним бурно кипит. Это ярко демонстрирует плохую теплопроводность воды и отсутствие конвекции между четко разделенными слоями.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.