Чем растопить лед физика

Исследовательский проект «Как растопить лёд»

Евгения Сидихина
Исследовательский проект «Как растопить лёд»

Целью данной работы является нахождение эффективного способа избавления предмета ото льда.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Рассмотреть свойства льда (температура, плотность и т. д.)

Воздействовать на лед разными способами – теплой водой, механически, солью, песком, землей, специально подготовленным раствором.

Выявив наиболее эффективный способ растапливания льда опытным путем, навык можно применять в естественных природных условиях, таких как, наступление гололеда в зимний период, для решения вопроса о мерах борьбы со льдом на придомовой территории, на тротуаре и других объектах для предотвращения падения и получения травм, что на сегодняшний день очень актуально.

Проектразделен на три этапа:

На первом предполагается познакомиться с объектом исследования и изучения свойств льда- что такое лёд? Какой он? Опытный образец необходимо рассмотреть, потрогать, постучать по не нему, чтобы составить представление о предмете. На втором этапе предполагается проведение самого опыта. И наблюдение за изменением состояния объекта исследования. Третий этап состоит из формулировки вывода по результатам проведенного опыта, фиксирование результатов.

Изначально проблема была озвучена в игровой форме, когда Александр вернулся домой из детского сада и нашел письмо от Снежной королевы, в котором говорилось о том, что она заморозила его любимые игрушки и предлагала ему найти способ их освободить из ледяного плена.

И первое, что пришло в голову – это отогреть игрушки руками, но руки быстро замерзли, поэтому было решено искать другие пути.

Итак, в наличии имеется три образца замороженных фигур. Но какие они? Взяв лед в руки – понимаем, он на вид прозрачный, холодный на ощупь, но если подержать немного в руках – понимаем, что он скользкий и начинает медленно таять, из чего делаем вывод, что лед – это замороженная вода.

Изучаем литературу, где указано что вода начинает замерзать при температуре 0°С, там же говориться о том, что эта же температура является температурой при которой лед начинает таять.

Если постучать по льду каким-либо предметом, например деревянной ложкой – там, где основание толстое с ним ничего не происходит, где основание тонкое – лед крошится. Делаем промежуточный вывод — плотность льда зависит от его толщины.

Изучая объект исследования на первом этапе, уже имеем представление о том, что опытный образец руками не растопить и механически его разломать можно только по краям, где толщина его минимальная.

Переходим к следующим действиям:

1. Берем один кусочек льда и пробуем полить на него горячей водой. В результате опытный образец растаял не более чем на 15%. Сама же горячая вода, которой поливали, быстро остыла, оставив на дне чашки лужи. Берем две чайные ложки соли и высыпаем сверху. Лед начал трескаться и немного быстрее таять. Общий процент таяния составил около 30%. Изучаем образец – такой же холодный, но уже не такой скользкий, как был ранее. Убираем образец в сторону.

2. Берем второй кусочек льда и посыпаем на него чайную ложку песка. С образцом ничего не происходит, процесса таяния не наблюдаем. Есть только одно изменение – он перестал скользить. Убираем образец в сторону.

3. Берем третий последний кусочек льда. Готовим раствор из теплой воды, спирта и жидкости для мытья посуды. Начинаем поливать данным раствором, объемом 100 мл, опытный образец. Кучек льда тает довольно быстро. В результате процент таяния составил почти 50%, но остался скользким.

Рассматриваем все три образца. На первом месте оказывается образец 3, на который воздействовали приготовленным раствором. На втором месте образец 1, который поливали сначала теплой вводом, а затем посыпали солью. И на третьем месте остался образец 2, который просто посыпали песком.

Проведя данный эксперимент,делаем вывод:

1. Лед нельзя растопить руками, так как руки замерзают очень быстро – значит зимой необходимо одевать теплую одежду. Чтобы избежать обморожения.

2. Лед можно расколоть, воздействуя на него механически, но только в том месте, где он не сильно толстый – а значит зимой необходимо быть очень аккуратным и соблюдать правила безопасности со льдом, который покрывает водоемы, реки и т. д., чтобы не провалиться под лед.

3. Лед нельзя растопить, посыпав его песком, но это поможет избежать скольжения, в результате которого можно упасть и получить травму.

4. Лед можно попробовать растопить теплой водой или солью, но для этого процедуру необходимо повторять несколько раз, чтобы добиться 100% результата.

5. Наиболее эффективным способом является обработка льда специально подготовленным раствором, состоящим из теплой воды, спирта и жидкости для мытья посуды.

Источник

При какой температуре тает лед? Количество теплоты для нагревания льда

Каждому известно, что вода может находиться в природе в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. При плавлении происходит превращение твердого льда в жидкость, а при дальнейшем нагревании жидкость испаряется, образуя водяной пар. Каковы же условия плавления, кристаллизации, испарения и конденсации воды? При какой температуре тает лед или образуется пар? Об этом мы поговорим в данной статье.

Вода на Земле

Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние – обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км 3 воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.

Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.

Свойства воды

Прежде чем говорить о температуре таяния льда, стоит рассмотреть основные свойства этой уникальной жидкости.

Итак, воде присущи следующие свойства:

• Отсутствие цвета.
• Отсутствие запаха.
• Отсутствие вкуса (однако качественная питьевая вода имеет приятный вкус).
• Прозрачность.
• Текучесть.
• Способность растворять различные вещества (например, соли, щелочи и т. д.).
• Вода не имеет собственной постоянной формы и способна принимать форму сосуда, в который попадает.
• Способность очищаться посредством фильтрования.
• При нагревании вода расширяется, а при охлаждении сжимается.
• Вода может испаряться, превращаясь в пар, и замерзать, образуя кристаллический лед.

В этом списке представлены основные свойства воды. Теперь разберемся, каковы особенности твердого агрегатного состояния этого вещества, и при какой температуре тает лед.

Снег и лед

Лед – это твердое кристаллическое вещество, которое имеет достаточно неустойчивую структуру. Он, как и вода, прозрачен, не имеет цвета и запаха. Также лед обладает такими свойствами, как хрупкость и скользкость; он холодный на ощупь.

Снег также представляет собой замерзшую воду, однако обладает рыхлой структурой и имеет белый цвет. Именно снег каждый год выпадает в большинстве стран мира.

Как снег, так и лед – крайне неустойчивые вещества. Чтобы растопить лед, не нужно прикладывать особых усилий. Когда же он начинает таять?

Плавление льда

В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.

При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс – замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.

Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.

Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.

Количество теплоты

В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.

Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.

После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.

Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды – 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.

Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.

Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.

В заключение

Итак, в данной статье мы узнали некоторые факты о воде и о двух ее агрегатных состояниях – твердом и жидком. Водяной пар, однако, представляет собой не менее интересный объект для изучения. Например, в нашей атмосфере содержится приблизительно 25*10 16 кубических метров водяного пара. К тому же, в отличие от замерзания, испарение воды происходит при любой температуре и ускоряется при ее нагревании или при наличии ветра.

Мы узнали, при какой температуре тает лед и замерзает жидкая вода. Такие факты всегда пригодятся нам в повседневной жизни, так как вода окружает нас повсюду. Важно всегда помнить о том, что вода, в особенности пресная, является иссякаемым ресурсом Земли и нуждается в бережном к ней отношении.

Источник

Почему лед скользкий

Крайне очевидно, но тем не менее интересно: практически все зимние виды спорта держатся на одном факте – лед скользкий.

Низкое трение льда – это то, почему конькобежцы могут развивать скорость до 55 километров в час, почему фигуристы могут выполнять головокружительные пируэты, и почему 20-килограмовый камень для керлинга может скользить.

Но на протяжении большей части последних двух столетий ученые пытались объяснить то, почему лед скользкий и почему коньки могут так хорошо скользить по нему.

Но есть одно очевидное «но»: кататься на коньках на удивление сложно. Практически невозможно увидеть невооруженным глазом, что происходит, когда лезвие прорезает лед, потому что оно закрывает обзор. А слои льда, по которым скользят коньки, микроскопически тонкие.

Поэтому ученые должны полагаться на свои знания физики и химии для объяснения этого явления. Они предположили несколько объяснений, каждое из которых рассказывает о захватывающем свойстве льда.

Прежде всего самый очевидный вопрос: что такое лед?

Лед – это замерзшая вода. Но то, что происходит, когда вода становится твердой, делает это вещество необычным и крайне увлекательным для изучения.

Для большинства веществ во вселенной твердая фаза плотнее, чем жидкая. Когда материал достаточно охлаждается для образования твердых частиц, его молекулы связываются в узкие связки. Но со льдом происходит немного другое. Когда температура опускается ниже 0° С, водородные связи, которые связывают молекулы воды вместе, расширяют дополнительное пространство между молекулами воды, когда они замерзают.

И, как оказалось, благодаря этим знаниям, можно создать идеальный лед для того или иного вида спорта.

Как объясняет Smithsonian Magazine, лед, используемый на катках для олимпийских видов спорта, представляет собой очищенную воду, распыляемую на катках по одному слою за раз, чтобы создать поверхности безупречной структуры. Толщина и температура льда на Олимпиаде зависит от вида спорта. Фигуристы предпочитают лед, установленный близко к точке плавления при -3 °С для дополнительного сцепления и контроля. Хоккеистам нравится более холодный, жесткий, что делает поверхность более скользкой.

Твердый лед, как не удивительно, менее плотный, чем жидкая вода (именно поэтому айсберги плавают в океане). И для ученых это было ключом к выяснению, почему лед такой скользкий.

Гипотеза 1: давление заставляет лед таять

С 19-го века наиболее распространенным ответом на вопрос «почему лед скользкий» было «потому что лед тает под давлением».

Эта идея взята из работы Джеймса Томпсона, который в 1850-х годах разработал формулу, которая описывает очень странное свойство льда: то есть под высоким давлением лед превращается в воду. Это связано с тем фактом, что твердый лед менее плотный, чем вода. Если вы сжимаете лед, он становится менее устойчивым и тает.

Можно увидеть этот эффект с помощью очень простого эксперимента. Например, взять отрезок проволоки и привязать груз к каждому концу. Затем проложить провод через большой кусок льда. Давление проволоки прорежет чистую линию через лед (которая снова замерзнет, как только проволока пройдет сквозь. Это процесс, называемый « регенерация »).

Заманчиво думать, что именно так работают коньки – что давление, оказываемое тонким лезвием на лед, позволяет ему немного подтаивать, чтобы уменьшить трение и сделать скольжение лучше.

Как объяснил Кеннет Чанг из New York Times, человек весом в 68 кг, стоящий на лезвиях, может понизить температуру плавления льда только с 0 °С до -0,1 ° С, в то время как катки для фигурного катания обычно держатся около -3 °С. Проще говоря: фигуристы не могут оказать достаточного давления, чтобы растопить лед.

«Так что, хотя основная идея верна — вы можете растопить лед, создавая давление на него — цифры вообще не работают» – говорит Лиммер.

Таким образом, давление лезвия на лед не может объяснить, почему коньки скользят. Но как насчет трения? Разве скользящее движение коньков на поверхности не может генерировать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Это определенно часть ответа, но это не объясняет, почему лед так необычно скользит.

Гипотеза 2: трение растапливает лед

Что насчет трения? Разве скользящее движение коньков на поверхности не может генерировать достаточно тепла, чтобы растопить лед?

Лиммер объясняет, что трение «является эффектом второго порядка» в проблеме катания на коньках. Трение помогает нам понять, почему коньки могут скользить быстрее и быстрее при движении, но не то, почему они могут это с самого начала.

Гипотеза 3: поверх льда лежит очень маленький слой жидкой воды

За несколько лет до того, как Джеймс Томпсон объяснил, почему давление растапливает лед, физик Майкл Фарадей обнаружил еще одно удивительное свойство льда: тонкий жидкий слой на его поверхности.

Фарадей догадался, что кубики льда слипаются из-за окружающего их слоя жидкости. Когда эти слои жидкости встречаются, затем замерзают вместе.

Этот очень тонкий слой жидкости также делает лед более гладким. Но Фарадей не мог доказать свою гипотезу в то время. Наука об атомах и молекулах еще не была доступна, чтобы помочь ему в объяснении.

В 1987 году ученые подтвердили существование этого «квази жидкостного» слоя с помощью рентгенографии. И это очень, очень тонкий слой. Оценки показывают, что его толщина при -1 ° C составляет от 1 нанометра до 94 нанометров. Это примерно в 1000 раз меньше, чем бактерия.

Но, что интересно, по оценкам профессора Ван Леувена, было бы очень сложно кататься при температуре ниже -30 °C. Даже если на льду все еще будет крошечный слой жидкости, потребуется слишком много трения, чтобы произвести достаточно тепла, чтобы растопить что-либо еще. Кроме того, ниже этой температуры становится все труднее обнаружить крошечный слой жидкости на поверхности льда. Это было бы похоже на катание на гравии.

Источник