Актуальність і практична значущість даної теми пов'язана з тим, що на Землі немає більш поширеного речовини, ніж вода в рідкому і твердій фазах. У Всесвіті, в тому числі в Сонячній системі, виявлені величезні маси льоду. На думку ряду вчених, життя на Землі теж з'явилася завдяки льоду - космічному. Разом з тим, властивості цього простого речовини не до кінця зрозумілі і вивчені.
Мета даної роботи - розгляд окремих фізичних властивостей льоду.
Завдання роботи - збір матеріалів з обраної теми, проведення експериментів з вивчення ряду властивостей льоду.
Практична цінність (значимість) роботи полягає в дослідженні деяких аномальних властивостей льоду (визначення питомої теплоти плавлення, збільшення обсягу води при кристалізації). Крім того, проведені спостереження за процесом витіснення домішок при кристалізації льоду, на якому засновано очищення води методом заморожування - відтавання.
Методи роботи. вивчення літератури з обраної теми, спостереження, експеримент.
1. Різновиди льоду
Лід - це вода в твердому стані (твердій фазі). Основні запаси льоду на Землі становлять близько 30 млн. Куб. км і зосереджені в полярних країнах. Розрізняють: атмосферне (сніг, іній, град), водний, льодовиковий і підземний лід. Атмосферне лід - крижані частки, зважені в атмосфері або випадають у вигляді опадів.
Сніг - атмосферні опади, що складаються з дрібних кристаликів льоду.
Град - атмосферні опади у вигляді частинок льоду круглої або неправильної форми. Град випадає в теплу пору року зазвичай при зливах і грозах.
Іній - тонкий нерівномірний шар крижаних кристалів, що утворюються з водяної пари при охолодженні земної поверхні до негативних температур, більш низьких, ніж температура повітря.
Крижаний покрив - суцільний лід, що утворюється в холодну пору року на поверхні води. У високоширотних областях існує весь рік. Підземні льоди - льоди, що знаходяться у верхніх шарах земної кори. Льодовиковий лід - монолітна крижана порода, що складають льодовик. Утворюється з скупчення снігу, в результаті його ущільнення.
Морський лід - лід, що утворюється в море в результаті замерзання морської води, відрізняється від річкового льоду солоністю.
2. Фізичні властивості льоду
Лід - кристалічна речовина без кольору, смаку і запаху. При атмосферному тиску лід утворюється і плавиться при 0С. Хімічна формула - H2O.
На початку 20 століття було відкрито явище поліморфізму льоду (здатність льоду до різного кристалічному будовою з різними фізичними властивостями). У теперішній час відомі 15 кристалічних і 3 аморфних різновиди льоду. У природі існує лише один різновид, добре нам знайома. Решта отримують, моделюючи умови, існуючі в космосі або в надрах нашої планети.
У льоду (звичайного) кожна молекула H2O оточена чотирма найближчими до неї молекулами, що знаходяться на однаковій відстані від неї і розміщеними в вершинах правильного тетраедра. Фіксоване положення займають лише атоми кисню. Два атома водню можуть займати різні положення на чотирьох зв'язках молекули H2O з іншими сусідами. У води немає такої впорядкованої структури, розташування її молекул весь час змінюється. Але в будь-який момент часу її оточують від 4 до 5 «сусідок», тобто молекули розташовуються тісніше, ніж у льоду. Тому щільність води більше. Щільність льоду 916, 7 кг / м3. а води 999,8 кг / м3. Вода, перетворюючись на лід, збільшує свій обсяг приблизно на 9%. Лід, будучи легше води, утворюється на поверхні водойм, що перешкоджає подальшому замерзанню води. Це аномалія. Інші речовини, замерзаючи, стискаються.
У льоду низька теплопровідність, яка незначно збільшується з підвищенням температури. Питома теплоємність льоду 2100Дж / кг ° С.
Щоб розтопити лід, потрібно дуже багато тепла. Питома теплота плавлення льоду 3,40105Дж / кг. Виключно велике значення теплоти плавлення - теж аномальне властивість. При утворенні льоду, тобто при замерзанні води, така ж кількість теплоти виділяється. Взимку, коли утворюється лід і випадає сніг, це тепло підігріває землю і повітря.
Температура плавлення льоду підвищується з ростом тиску, тому він плавиться під дією механічного навантаження, а потім змерзається. Це явище називається режеляціі. Велике значення режеляціі має взимку на залізницях. При невеликому снігопаді в безвітряну погоду випадає сніг не порушує нормального руху залізничного складу. Під колесами вагонів виникає значний тиск, і сніг плавиться, але як тільки вагон мине дане місце плавлення, вода на ньому перетворюється в лід. Режеляціі забезпечує роботу крижаних доріг, що прокладаються в горах.
Природний лід звичайно чистіше, ніж вода, тому що при кристалізації зростаючий кристал льоду завжди прагне створити ідеальну кристалічну решітку і витісняє сторонні речовини, поки це можливо. І тільки коли домішкам діватися вже нікуди, він починає вбудовувати їх в свою структуру. Тому навіть самі брудні калюжі покриваються прозорим чистим льодом. У планетарному масштабі саме ця здатність льоду грає роль гігантського очисного процесу - вода на землі весь час очищає себе.
Лід - тверда речовина. Але він може повільно змінювати форму, має плинністю - здатність деформуватися під механічною напругою. Плинність льоду в 106 разів більше, ніж у гірських порід. Завдяки цьому лід не накопичується в одному місці, а у вигляді льодовиків постійно переміщається. Деякі гімалайські льодовики рухаються зі швидкістю 2 - 3 м на добу.
В Антарктиді товсті шари льоду через великі снігопади поступово «перетікають» до моря. Там вони починають підтавати і розмиватися морською водою, поки, нарешті, від них не відламуються величезні гори - айсберги. Основна маса айсбергів - прісний найчистіший лід. Якщо раніше люди бачили в них лише загрозу, то тепер становище змінилося. Основне завдання - використовувати ці гігантські крижані «консерви» як джерела водопостачання.
Чистий лід прозорий для світлових променів. Включення (повітряні бульбашки, сольовий розсіл, пил) розсіюють промені, значно зменшуючи прозорість льоду. Абсолютний показник заломлення льоду дорівнює 1,31 (трохи менше, ніж у води).
В останні роки було відкрито багато несподіваного, про що раніше і припускати не можна було. Лід виявився полупроводником, а не діелектриком. При замерзанні води на кордоні між льодом і водою виникає різниця потенціалів, що досягає десятків вольт.
У японських садах можна зустріти незвичайний кам'яний ліхтар, увінчаний широкої дахом з загнутими краями. Це «юкимі - Торо», ліхтар для милування снігом. Мінливість снігу майже таємнича. Вона цікава для фізиків і не менш приваблива для поетів і письменників, композиторів і художників. Поет С.Г.Островой як - то сказав, що сніг заворожує, притягує до себе подібно якому - то магніту.
Лід прозорий. Сніг же, який складається з мікроскопічних кристаликів льоду, непрозорий. Білий колір снігу походить від укладеного в ньому повітря. Світло багаторазово переломлюється в крижаних кристалах і відбивається від їх граней, що не поглинаючись, а розсіюючись в повітрі.
У снігу дуже висока відбивна здатність (0,95). Він подібний до величезного дзеркала. Сніжне покривало, яке прийнято вважати теплим, що рятує від морозів рослини і тварин, в масштабах всієї Землі сприяє охолодженню планети, надовго ізолюючи від сонячних променів великі території.
Сніг разюче мінливий. Всі його фізичні властивості не можуть довго зберігатися. Змінюється все, аж до структури, форми і розмірів сніжинок. Так щільність снігу змінюється від 0,1 до 0,7 г / см3. При подальшому збільшенні щільності сніг перетворюється на лід.
Обмежений обсяг роботи не дозволяє розглянути інші цікаві властивості льоду і снігу, їх вивчено дуже багато. І багато що ще належить вивчити.
Експеримент 1. Визначення питомої теплоти плавлення льоду.
Мета: визначити питому теплоту плавлення льоду калориметричних методом.
Обладнання: калориметр, ваги важелів з важками, термометр, Мензурка, фільтрувальна папір, лід.