разное

ПОЧЕМУ ЛЁД НЕ ТОНЕТ В ВОДЕ?

том, что лёд плавает в воде, никто не сомневается: каждый это видел и на пруду и на реке. Но многие ли задумывались над таким вопросом: все ли твёрдые вещества ведут себя так же, как лёд, то-есть плавают в жидкостях, образовавшихся при их плавлении?

Расплавьте в банке парафин или воск и бросьте в эту жидкость ещё кусочек того же твёрдого вещества, — он тотчас же потонет. То же произойдёт и со свинцом, и с оловом, и со многими другими веществами. Оказы­вается, как правило, твёрдые тела всегда тонут в жидко­стях, которые образуются при их плавлении.

Обращаясь чаще всего с водой, мы так привыкли к обратному явлению, что нередко забываем это характер­ное для всех других веществ свойство. Надо помнить, что вода в этом отношении представляет редкое исключение. Только металл висмут и чугун ведут себя так же.

Если бы лёд был тяжелее воды и тонул, то даже в глубоких водоёмах вода замерзала бы зимой целиком, несмотря на уменьшение плотности воды при охлаждении ниже 4 градусов. В самом деле, падающий на дно пруда лёд вытеснял бы нижние слои воды вверх, и это проис­ходило бы до тех пор, пока вся вода не превратилась в лёд.

Однако при замерзании воды происходит совсем обрат­ная картина. В тот момент, когда вода превращается в лёд, объём её внезапно увеличивается примерно на 10 процентов, и лёд оказывается менее плотным, чем вода. Поэтому-то он и плавает в воде, как плавает любое тело в жидкости, имеющей большую плотность: желез­ный гвоздь в ртути, пробка в масле и т. д. Если считать плотность воды равной единице, то плотность льда будет составлять только 0,91. Эта цифра позволяет нам узнать толщину плывущей по воде льдины. Если высота льдины над водой равна, например, 2 сантиметрам, то мы можем заключить, что подводный слой льдины примерно в 9 раз толще, то-есть равен 18 сантиметрам, а вся льдина имеет 20 сантиметров толщины.

В морях и океанах встречаются иногда огромные ле­дяные горы — айсберги. Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём — не­скольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятано под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно во-время не заметит дви­жущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении с айсбергом получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.

Внезапное увеличение объёма при переходе жидкой воды в лёд представляет важную особенность воды. С этой особенностью приходится часто считаться в прак­тической жизни. Если оставить бочку с водой на морозе, то вода, замёрзнув, разорвёт бочку. По этой же причине нельзя оставлять воду в радиаторе автомобиля, стоящего в холодном гараже. В сильные морозы нужно опасаться малейшего перерыва в подаче тёплой воды по трубам во­дяного отопления: вода, остановившаяся в наружной трубе, может быстро замёрзнуть, и тогда труба лопнет.

Замерзая в трещинах скал, вода нередко является при­чиной горных обвалов.

Рассмотрим теперь один опыт, который имеет прямое отношение к расширению воды при замерзании. Поста­новка этого опыта требует специального оборудования,
и вряд ли кто из читателей может его воспроизвести в до­машней обстановке. Да это и не является необходимостью; опыт легко себе представить, а его результаты мы поста­раемся подтвердить на хорошо знакомых для каждого примерах.

Возьмём очень крепкий металлический, лучше всего стальной, цилиндр (рис. 4), насыплем на дно его немного дроби, наполним водой, укрепим крышку болтами и ста­нем поворачивать винт. Так как вода сжимается очень мало, то долго крутить винт не придётся. Уже после не­скольких оборотов давление вну­три цилиндра поднимется до со­тен атмосфер. Если теперь ци­линдр охладить даже на 2—3 гра­дуса ниже нуля, то вода в нём не замёрзнет. Но как в этом убе­диться? Если открыть цилиндр, то при такой температуре и атмо­сферном давлении вода момен­тально превратится в лёд, и мы не будем знать, была ли она жидкой или твёрдой, когда находилась под давлением. Здесь нам по­могут насыпанные дробинки. Ког­да цилиндр остужен, перевернём его вверх дном. Если вода замёр - Рис. 4.

Зла, дробь будет лежать на дне;

Если не замёрзла, дробь соберётся у крышки. Открутим винт. Давление упадёт, и вода обязательно замёрзнет. Сняв крышку, мы убедимся, что вся дробь собралась около крьодки. Значит, действительно вода, находящаяся под давлением, не замерзает при температуре ниже нуля.

Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.

Если бы мы стали строить свои рассуждения на осно­вании наблюдений над множеством других веществ, то должны были бы притти к обратному выводу. Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объёме. Давление вызывает уменьшение объёма и этим облегчает переход
жидкости в твёрдое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объёме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расши­рению воды, не повышает, а понижает температуру её замерзания.

Известно, что в океанах на больших глубинах темпе­ратура воды ниже нуля градусов, и тем не менее вода на этих глубинах не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около ста атмосфер.

Будь вода нормальной жидкостью, мы вряд ли испы­тывали бы удовольствие от катанья на коньках по льду. Это было бы то же самое, что и катанье по совершенно гладкому стеклу. Коньки не скользят по стеклу. Совсем другое дело лёд. Кататься на коньках по льду очень легко. Почему? Под тяжестью нашего тела тонкое лезвие конька производит на лёд довольно сильное давление, и он под коньком тает; образуется тонкая плёнка воды, которая служит превосходной смазкой. Опыт, показанный на рис. 5, убедительно подтверждает это. Под тонкой проволокой возникает давление, при котором лёд пла­вится, и проволока проходит через весь кусок. Поверх проволоки этого давления нет, и образовавшаяся вода снова застывает, спаивая куски льда вместе. Опыт этот удаётся тем лучше, чем тоньше проволока и тяжелее груз.

Ёд не тонет в воде. Это — одна из особенностей воды. Однако нам не следует думать, что поведение воды всегда «безнадёжно»; иногда она начинает вести себя вполне нормально, так же как и все другие жидкости. Знаете ли вы, что бывает лёд, который тонет в воде? Та­кой лёд удалось получить около сорока лет назад. При этом было обнаружено, что вода может давать лёд четы­рёх различных видов, не считая обыкновенного: лёд II, лёд III, лёд V и лёд VI (существование льда IV пока нахо­дится под сомнением).

Снова возьмём наш стальной цилиндр (см. рис. 4) и наполним его водой. Сдавим воду до 2000 атмосфер и охладим до тридцати градусов мороза. Вода в цилиндре застынет в обыкновенный лёд. С помощью винта станем при этой температуре увеличивать давление. Прибор пока­зывает 2115 атмосфер, и мы замечаем, что дальнейшее вра­щение винта уже не приводит к повышению давления. Это происходит потому, что обыкновенный лёд переходит в так называемый лёд III, который не только плотнее обык­новенного льда, но на пять процентов плотнее воды. Есте­ственно, он будет занимать меньший объём, почему при движении винта и не увеличивается давление. Лёд III — это лёд, который тонет-в воде.

Если поднять давление до 3000 атмосфер и охладить цилиндр до минус 80 градусов, то образуется лёд II, ко­торый плотнее обыкновенного льда на 22 процента. Бы­стро развинтив прибор, можно успеть высыпать этот лёд на стол. При этом будет наблюдаться интересное явле­ние: лёд II, увеличиваясь в объёме, станет вспучиваться и рассыпаться в порошок обыкновенного льда (лёд I), подобно тому как растёт в своём объёме и рассыпается' известь при гашении её водой.

При давлениях немногим выше 20 000 атмосфер вода даёт новый лёд — лёд VI, который плотнее воды на 9,5 процента. Чтобы расплавить такой лёд, надо нагреть его до плюс 80 градусов. Это уже, так сказать, «горя­чий» лёд.

Теперь предположим, что мы сжали воду в цилиндре до нескольких тысяч атмосфер и после этого выставили его на мороз. Лопнет ли наш цилиндр при замерзании воды? Нет, не лопнет. Ведь он выдержал давление под

Которым находилась вода. При застывании воды в таких условиях давление в цилиндре не возрастает, а падает, так как образующийся лёд плотнее воды и занимает мень­ший объём.

Особенность воды, связанная с увеличением объёма при замерзании, имеет место только при давлениях ниже 2000 атмосфер. При более высоких давлениях эта особен­ность исчезает, и поведение воды становится похожим на поведение всех других веществ.

Следовательно, нельзя без оговорки утверждать, что лёд всегда плавает в воде и плавится при нуле градусов. При известных условиях лёд может быть тяжелее воды и иметь температуру плавления даже плюс 80 градусов.