Какие свойства имеет вода в твердом состоянии жидком и газообразном
На нашей планете существует множество состояний воды, в которых она может принести пользу человеку. Но стоит учитывать, что есть и множество состояний перехода, которые не всегда могут оказаться полезными. Поэтому нужно разобрать, что и как происходит на планете, чтобы не потеряться в случае возникновения необычной ситуации, которая связана с водой.
Итак, три основных состояния воды: жидкое, твердое и газообразное – это практически 100% от ее общего объема. Существует также несколько различных вариаций, которые отличаются от общепризнанных, но о них можно поговорить чуть позже. Для того чтобы получше разобраться в состояниях воды, необходимо узнать о том, чем они отличаются друг от друга, как они переходят из одного в другое и, что самое главное, как они появляются. Иначе говоря, причины перехода.
Жидкость
Давайте начнем с самого простого: жидкое состояние. Характеризуется оно основными параметрами любой жидкости. Жидкость занимает предоставленный ей объем, то есть, как бы вы не пытались налить воду в стакан, в нем со временем все равно не останется ни капли воздуха: весь он будет вытеснен влагой. Влага тяжелее воздуха, поэтому всегда будет снизу. В чистой воде нет никаких примесей, поэтому она прозрачная, не имеет вкуса и запаха. Если же речь идет о той жидкости, которую добывают из скважин или ключей, то в ней очень часто растворены минералы и соли, которые придают воде специфический вкус. В таком состоянии у воды часто может оказаться какой-либо привкус, но есть множество способов для того, чтобы от него избавиться.
Пар
Впрочем, для того чтобы выяснить этот факт, нужно перейти к изучению второго состояния, газообразного. По факту, газообразное оно на все сто процентов, однако в различных погодных условиях может происходить и плавный переход к нормальному, жидкому состоянию. Но обо всем по порядку. Как и любой другой газ, водяной пар может занимать предоставленный объем, обладает равномерным давлением в любом направлении, поэтому этот аспект нетрудно использовать для того, чтобы получить, в конечном итоге, энергию движения. Как все могут себе представить, влага, перешедшая в пар, представляет собой те же самые молекулы, но только расстояние между ними становится больше. Если, например, в твёрдом состоянии расстояние между молекулами минимально, то в газообразном состоянии оно довольно велико.
Лед в любом виде
Собственно, теперь можно перейти и к твердому. Это лед, который на полюсах покрывает нашу планету толстым слоем в несколько километров, который существует на горных вершинах и который временами спускается даже до 50-ых параллелей в виде айсбергов. Таким образом, несмотря на то, что лед в нормальном состоянии представляет собой твердое и плотное вещество, разрушается оно очень легко. Обладает оригинальным свойством частичного плавления при сильном нагревании, но в целом может храниться очень долго, понижая температуру окружающего воздуха. Обратное свойство также доступно, поскольку состояние воды часто зависит от температуры. Ведь появление града летом – это явление резкого понижения температуры в верхних слоях атмосферы.
Возможности для очистки от примесей
Также стоит отметить тот факт, что как газообразное состояние, так и жидкое состояния легко получаются из твердого. Ведь твердое вещество может распадаться на молекулы при различных условиях и в различном состоянии, поэтому плавление и сублимация зачастую приводят к схожим результатам. Однако мы хотели рассказать о том, как получить очищенную воду.
Существует несколько способов получить из воды чистую жидкость. Сделать это нетрудно физически, но прождать столько времени, пока жидкость очистится, нелегко. Суть избавления от посторонних примесей, которые придают воде вкус, цвет и запах, заключается в том, что нужно просто отделить их. При помощи испарения или постепенного охлаждения добиться этого нетрудно. Молекулы отделяются от загрязнений за счет получения энергии в случае испарения, а вот когда влага замерзает, процесс движется в обратную сторону, но зато также позволяет удалить лишние примеси из воды. Они могут быть жидкими и твердыми, но поскольку теплоемкость у вещества иная, разделение парообразного и жидкого веществ, а также жидкого и твердых веществ, проходит очень легко.
Перенос энергии при переходе состояний
Таким образом, три состояния можно характеризовать, как отличные друг от друга из-за того, что расстояние между молекулами разное. Кроме того, между ними могут находиться примеси, однако при изменении состояния они часто остаются сами по себе. За счет того, что влага вбирает в себя энергию или наоборот, отдает ее, можно получить различные по своей сложности установки. Между холодильником и паровым котлом есть еще несколько десятков разнообразных устройств, которые передают энергию за счет влаги.
Впрочем, про эти устройства наверняка уже много раз рассказывали ранее. Тем не менее, не нужно забывать о том, что использование энергии воды при переходе в различные состояния позволяет создавать экологически чистые двигатели. Ведь даже лед в его твёрдом состоянии можно использовать ровно для этих же целей. Как и вода, он отлично передает энергию. Поэтому твердое вещество очень легко использовать, как и прочие источники или хранители молекулярной (тепловой) энергии.
Источник
Вода — основа жизни и в природе она может находиться в трех
основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Однако, искусственно можно
создать условия, при которых вода переходит в состояние плазмы.
В этой статье мы разберем, почему вода может быть в жидком,
твердом и газообразном состояниях, и при каких условиях меняются ее агрегатные
состояния.
Жидкое состояние воды в природных условиях планеты Земля
преобладает.
Твердое состояние воды
Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не
понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к
твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.
Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее
молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем
жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.
Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а
вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.
Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода
кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде
солей снижает температуру замерзания.
На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос:
какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ
– ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия.
Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду,
отбирая у нее тепло.
Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете
— жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов)
находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.
Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0
градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8
градусах Цельсия.
Жидкое состояние воды
Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не
только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и
кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.
Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и
образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса
питьевой воды.
Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к
различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко
делает влажными большинство твердых материалов.
Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное
состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и
давление.
Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное
называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.
Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда
мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его
часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если
мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее
микроскопических капелек.
Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется,
когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар»
часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных
капель, образующихся при конденсации водяного пара.
И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это
температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности,
ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется
роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на
жидкое.
Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия)
или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления.
Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.
Состояние газа
Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение,
что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не
верно.
Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода
способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же,
как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е.
в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.
Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии
образует облака и тучи
Четвертое агрегатное состояние: плазма
Все знают, в каких трех состояниях вода находится в
окружающей природе. Однако, ученые знают и четвертое состояние воды – плазму,
которую называют гидроплазмой.
Водяной пар можно нагреть до такой температуры (2 200 -13
900°С, или 4 000- 25 000 ° F), что молекулы воды распадаются и получается
просто смесь атомов водорода и кислорода в виде плазмы. Там динамически может
присутствовать некоторое количество молекул воды, но всё равно эта смесь ионов
и молекул будет водородно-кислородной плазмой.
Вообще плазма – это такое состояние вещества, которое
настолько насыщено энергией, что от атомов отлетают электроны. Не говоря уже о
разрушении молекулярных структур и кристаллических решеток.
Плазменное состояние воды в природе не встречается, однако оно
всё больше интересует ученых в плане возобновляемых источников энергии. Очень
заманчивая идея – получение из воды топлива в виде горючего водорода, который
реагирует с кислородом и опять образует воду…
Как меняются агрегатные состояния
В принципе, агрегатное (физическое) состояние воды, как и
любого другого вещества, зависит от температуры и давления. В природных
условиях Земли возможны только три состояния веществ: твёрдое, жидкое и
газообразное. Это и есть ответ на вопрос «в каких трех состояниях вода
находится в природе».
Также теперь Вы знаете ответы на многие другие интересные
вопросы типа «какой металл, находясь в расплавленном, т.е. жидком, состоянии,
может заморозить воду, т.е. превратить ее в лёд» и т.п.
И Вы имеете понятие, в каком агрегатном состоянии может
находиться вода в природе и в искусственных условиях.
Источник
Рассмотрим виды агрегатного состояние воды: лед, водяной пар, вода и плазма. В связи с этим, различают воду по следующим состояниям:
- твёрдое состояние — лёд;
- жидкое состояние — вода;
- газообразное — водяной пар;
- плазма.
ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ
В таком виде вода, в данном случае лед, сохраняет свою форму и объем. Под воздействием температуры вода начинает менять состояние и превращаться в лед, т.е. замерзать. Различают два вида твердого состояния воды — это аморфное и кристаллическое. При аморфном состоянии атомы вещества хаотичны, а при кристаллическом — наоборот упорядочены.
ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ
В этом состоянии у вещества неизменен его объем, но его форма меняется, т.е. лед превратился в воду, растекся, изменив форму, но объем остался неизменным. Жидкое состояние вещества подразделяют на 2 вида — состояние смеси (молоко, суспензия, кровь) и чистая вода. Кстати жидкости могут быть использованы в качестве растворителей, но тут существует до сих пор “зависшая” проблема-это произвольные изменения в скорости прохождения химическим реакций в водных растворах. Склоняются к тому, что вода различной структуры имеет различные как физические, так и биологические свойства, и определенными опытами это доказано.
В итоге структурные связи – это одна из причин аномальных свойств воды.
Таким образом, вода и лёд – самые удивительные минералы на Земле.
СОСТОЯНИЕ ГАЗА
В газообразном состоянии не сохраняется ни форма, ни объем. Еще это называют водяным паром. Он не имеет цвета, ничем не пахнет и безвкусен. Пар для глаз невидим, он в воздухе растворен, но его представить как конденсат, который появляется когда кипит вода в кастрюле, как туман, или как испарение при дыхании на холодном воздухе. Его концентрация растворимости зависит от таких показателей — давление, температура. Также он подразделяется на два агрегатных состояния — туман и пар, их показателем предельной концентрации является точка росы и насыщенный пар.
ПЛАЗМА
Плазма – это непривычный для нас газ — ионизированный, состояние воды, выявленное недавно. Как известно, что при нагревании вода превращается в пар/газ, а если продолжать и дальше повышать температуру полученного газа, то на выходе мы имеем плазму. Плазму можно наблюдать невооруженным глазом — это Солнце, вспышки молнии.
КАК МЕНЯЮТСЯ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ
Под действием температуры и определенных внешних воздействий вода меняет свое состояние, происходит фазовый переход воды из одного состояния в другое. К фазовым переходам воды относятся такие процессы, как:
- Лёд-вода, иначе процесс плавления, при котором происходит переход вещества из твердого состояния в жидкое.
Чтобы понять, почему вода меняет свое состояние, нужно знать, что материя состоит из атомов, они в свою очередь группируются в молекулы. А молекулы постоянно движутся. Вот как раз эта энергия движения — кинетическая энергия, и задает состояние вещества. При постоянной температуре не происходит изменение объема и формы у твердых веществ, так как у них мало кинетической энергии. У жидких — объем прежний, но меняется форма, так как им хватает энергии для преодоления силы взаимного притяжения, что дает возможность им перемещаться. А вот у газа нет постоянной формы и объема, так как у его молекул очень много кинетической энергии и они абсолютно свободны в своих передвижениях. - Вода-лед, это процесс замерзания (кристаллизации) — жидкое вещество переходит в твердое. Рассмотрим процесс кристаллизации, он возможен, когда понижается температура. Когда молекулы теряют свое теплоту, то становятся менее подвижны, так как им не хватает энергии. Например, мы контейнер с водой поставили в морозильную камеру холодильника, и вода превратится в лед. Обратный процесс, нагревание льда приводит к таянию и смене состояния на жидкое. Если мы продолжим нагревать жидкость, то она при достижении точки кипения начнется превращаться в пар.
- Вода-пар (газо/парообразование), пар-вода (конденсация). По мере того, как происходит увеличения температуры воды, ускоряется испарение, и как вода достигнет температуры 100*С, она начинает закипать, в таком состоянии она больше не может принимать энергию не изменив свое состояние, в итоге происходит испарение. Кипение — это интенсивный процесс перехода воды в пар, а конденсация это процесс обратный. При конденсации же, процесс происходит наоборот, выделяется небольшое количество тепла в окружающую среду, и ее температура немного повышается.
- Лед-пар (минуя состояние воды), такой процесс получил название сублимация примером сублимации может послужить эксперимент с мокрой рубашкой, вывешенной на мороз — лед исчезнет с рубахи, превратившись в пар.
- Пар — лед, в итоге мы имеем десублимацию. При этом процессе выделяется энергия. Примером может послужить морозный узор на стеклах.
- Газ-плазма. Для этого необходимо ионизировать газ. Степень ионизации зависит от количества атомов и от температуры.
Статью проверил и отредактировал Papa Vlada.
Первоисточник статьи опубликован на сайте про воду.
Источник
Агрегатные состояния воды в природе — облака, дождь, снег, лед, град, роса, иней туман … мы знакомы с ними с раннего детства.
Агрегатные состояния воды в природе
Агрегатные состояния воды ежедневно встречаются нам в окружающей нас природе. Они активно влияют на все аспекты жизнедеятельности человека.
В природе в естественных условиях вода может в изобилии существовать в 3-х основных агрегатных состояниях:
- Твердое состояние – лед, снег, град, иней … ;
- Жидкое – вода, дождь, туман, роса, радуга, облака …;
- Газообразное – пар …
К выше сказанному, важно уточнить, что туман и облака, на самом деле, не являются газообразным состоянием воды. Они являются результатом конденсации водяного пара, а не самим паром как таковым. Подробнее про Водяной пар читайте в статье ВОДЯНОЙ ПАР — ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ → .
Круговорот воды в природе
Уникальное свойство воды — возможность быть в природных условиях в трех разных базовых агрегатных состояниях, обеспечивает нашей планете жизненно важный процесс – гидрологический цикл или круговорот воды в природе. Если кратко круговорот воды состаит из таких процессов — осадков, испарения и конденсации. Круговорот воды в природе обеспечивает ее присутствие практически во всех уголках нашей планеты, а вода, как известно, источник жизни. Более подробно про него читайте в нашей статье КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ → .
Жидкое состояние воды в природе
Без воды в жидком состоянии большинство живых существ на нашей планете просто погибнет.
Химическая формула воды — H2O . Два атома водорода имеют положительный заряд, а один атом кислорода отрицательный. Связь между атомами «не сильная». Поэтому она легко разрывается, впрочем как и устанавливается.
Аккумулируется вода в жидком состоянии в хорошо всем нам известных формах — это океаны, моря, реки, озёра, пруды, ставки, каналы, атмосферных осадках …
Отметим интересный факт — вода в жидком состоянии при фиксированном объёме не имеет фиксированной формы.
Твердое состояние воды в природе
Вода из жидкого состояния переходит в твердое при температуре 0º C (плюс/минус в зависимости от давления). Процесс перехода воды из жидкого состояния в твердое имеет интересную аномалию. При понижении температуры молекулы воды, как и в других материях, сближаются друг с другом. Так происходит вплоть до температуры 4º C. При этой температуре у воды максимальная плотность. При дальнейшем понижении температуры плотность начинает уменьшаться. Благодаря именно этому удивительному свойству лёд плавает, а не тонет. Плотность льда составляет приблизительно 90% от плотности воды.
Вода в твердом состоянии имеет как фиксированный объём, так и фиксированную форму.
Газообразное состояние воды в природе
Из жидкого состояния в парообразное вода переходит при температуре 100º C (плюс/минус в зависимости от давления). Водяной пар не всегда можно увидеть, но его можно почувствовать. Количество пара в атмосфере определяется как влажность. При повышенной влажности можно сказать, что по ощущениям воздух становится «липким».
Агрегатные состояния воды — переходные процессы
Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое определяются следующим образом:
- Кипение и парообразование — переход воды из жидкого состояния в пар;
- Конденсация — процесс перехода пара в жидкое состояние воды;
- Кристаллизация — переход жидкости в лед;
- Плавление – переход льда в жидкость;
- Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;
- Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.
Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па. Всем с детства хорошо известна простая примета, температура за окном опустилась ниже нуля, ждите снега 🙂
Четвёртое или второе жидкое агрегатное состояние воды
Относительно недавно физики обнаружили новое состояние воды. Это состояние проявляется при температурах в промежутке от 40º до 60º C и проявляется в том, что жидкая вода непрерывно переключается между двумя состояниями, которые имеют разный набор физических свойств.
Данное качество жидкой воды обнаружила физик Лаура Маэстро из Оксфордского университета в Великобритании. Она вместе со своими коллегами провела исследования в ходе которых, при разных температурах измерялись такие физические параметры жидкой воды — показатель преломления, поверхностное натяжение, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость … .
Дать объяснение этому феномену учёные пока не смогли. Возможно этот факт связан с другими аномальными свойствами воды, про которые мы подробно писали в нашей статье АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ, ИЛИ УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ → .
Агрегатные состояния воды — важно знать
Необходимо отметить такой, важный для человека факт – при понижении атмосферного давления температура кипения падает. Это необходимо учитывать, например, в условиях высокогорья. Отметим также еще одно явление, которое полезно знать человеку в повседневной жизни — объем воды в твердом состоянии больше чем в жидком. Этот факт иллюстрирует общеизвестный пример – бутылка с водой оставленная на морозе будет разорвана, образовавшимся в ней льдом.
Очевидно, что в разных своих агрегатных состояниях Вода обладает разными базовыми физическими свойствами такими как – текучесть, твердость, летучесть.
Необходимо отметить, что пар определяет такой важный для человека и других живых организмов параметр как «влажность воздуха«. Влажность воздуха напрямую зависит от количества водяного пара в атмосфере, больше пара выше влажность. На земле существуют места как с очень высокой, так и с низкой влажностью атмосферы. Одним из самых влажных мест планеты считается индийский город Черрапунджи (Cherrapunji), а одним из самых сухих Сухие долины в Антарктике.
Выводы
Еще раз сделаем акцент на том, что во многом благодаря именно способности воды находиться в природных естественных условиях в трех разных агрегатных состояниях и существует жизнь на нашей планете.
Рекомендуем к изучению по данной теме
- Производство и получение пресной воды.
- Химические свойства воды.
- Использование и применение воды.
- Строение молекулы воды.
- Круговорот воды в природе — гидрологический цикл.
- 4 физических состояния воды.
Источники: https://www.inderscienceonline.com/doi/pdf/10.1504/IJNT.2016.079670
Агрегатные состояния воды в природе
2014-07-05
Автор: Waterman
Источник