Stāsts
Pieredze ar ūdeni apkures un dzesēšanas laikā. Šķidra ūdens īpašības. Valdības lietu stundu plāni, skolēnu aktivitātes un grafiskie organizatori

Pieredze ar ūdeni apkures un dzesēšanas laikā. Šķidra ūdens īpašības. Valdības lietu stundu plāni, skolēnu aktivitātes un grafiskie organizatori

Ūdens sildīšanas sistēmās ūdeni izmanto, lai siltumu no tā ģeneratora nodotu patērētājam.
Lielākā daļa svarīgas īpašībasūdeņi ir:
siltuma jauda;
tilpuma izmaiņas apkures un dzesēšanas laikā;
viršanas raksturlielumi ar ārējā spiediena izmaiņām;
kavitācija.
Apsveriet datus fizikālās īpašībasūdens.

Īpašs karstums

Jebkura dzesēšanas šķidruma svarīga īpašība ir tā siltuma jauda. Ja izsakām to dzesēšanas šķidruma masas un temperatūras starpības izteiksmē, iegūstam īpatnējo siltuma jaudu. Tas ir atzīmēts ar burtu c un tam ir dimensija kJ/(kg K) Īpašs karstums ir siltuma daudzums, kas jāpārnes uz 1 kg vielas (piemēram, ūdeni), lai to uzsildītu par 1 °C. Un otrādi, viela atdzesējot izdala tādu pašu enerģijas daudzumu. Ūdens vidējā īpatnējā siltumietilpība no 0 °C līdz 100 °C ir:
c = 4,19 kJ/(kg K) vai c = 1,16 Wh/(kg K)
Uzsūktā vai izdalītā siltuma daudzums J izteikts Dž vai kJ, atkarīgs no masas m izteikts Kilograms, īpatnējā siltuma jauda c un temperatūras starpība, izteikta K.

Skaļuma palielināšana un samazināšana

Visi dabiskie materiāli karsējot izplešas un atdzesējot saraujas. Vienīgais izņēmums no šī noteikuma ir ūdens. Šo unikālo īpašību sauc par ūdens anomāliju. Ūdenim ir augstākais blīvums+4 °C temperatūrā, pie kuras 1 dm3 = 1 l ir 1 kg masa.

Ja no šī punkta ūdeni silda vai atdzesē, tā tilpums palielinās, kas nozīmē blīvuma samazināšanos, t.i., ūdens kļūst vieglāks. To var skaidri redzēt tvertnes piemērā ar pārplūdes punktu. Tvertnē ir tieši 1000 cm3 ūdens +4 °C temperatūrā. Kad ūdens tiek uzkarsēts, noteikts daudzums no tvertnes tiks izliets mērīšanas traukā. Ja ūdens tiek uzkarsēts līdz 90 °C, mērtraukā ieplūdīs tieši 35,95 cm3, kas atbilst 34,7 g.Ūdens izplešas arī tad, ja to atdzesē zem +4 °C.

Šīs ūdens anomālijas dēļ upju un ezeru tuvumā ziemā aizsalst augšējais slānis. Tā paša iemesla dēļ uz virsmas peld ledus, un pavasara saule var to izkausēt. Tas nenotiktu, ja ledus būtu smagāks par ūdeni un nogrimtu dibenā.

Rezervuārs ar pārplūdes punktu

Tomēr šāda īpašība paplašināt var būt bīstama. Piemēram, automašīnu dzinēji un ūdens sūkņi var pārsprāgt, ja ūdens tajos sasalst. Lai to novērstu, ūdenim pievieno piedevas, lai tas nesasaltu. Glikolus bieži izmanto apkures sistēmās; skatiet ražotāja specifikācijas ūdens un glikola attiecībai.

Verdoša ūdens īpašības

Ja ūdeni silda atvērtā traukā, tas vārās 100°C. Ja mēra verdoša ūdens temperatūru, izrādās, ka tā paliek 100 ° C, līdz iztvaiko pēdējais piliens. Tādējādi pastāvīgs siltuma patēriņš tiek izmantots pilnīgai ūdens iztvaikošanai, t.i., tā agregācijas stāvokļa izmaiņām.

Šo enerģiju sauc arī par latento (latento) siltumu. Ja siltuma padeve turpinās, iegūtā tvaika temperatūra atkal sāks paaugstināties.

Aprakstītais process ir dots pie gaisa spiediena 101,3 kPa uz ūdens virsmas. Pie jebkura cita gaisa spiediena ūdens viršanas temperatūra mainās no 100 °C.

Ja aprakstīto eksperimentu atkārtotu 3000 m augstumā, piemēram, Cūgšpicē, Vācijas augstākajā virsotnē, mēs atklātu, ka ūdens tur jau vārās 90 ° C temperatūrā. Šīs uzvedības iemesls ir atmosfēras spiediena samazināšanās līdz ar augstumu.

Jo zemāks spiediens uz ūdens virsmu, jo zemāka būs viršanas temperatūra. Un otrādi, viršanas temperatūra būs augstāka, palielinoties spiedienam uz ūdens virsmas. Šo īpašību izmanto, piemēram, spiediena katlos.

Grafikā parādīta ūdens viršanas temperatūras atkarība no spiediena. Spiediens apkures sistēmās tiek apzināti palielināts. Tas palīdz novērst gāzes burbuļu veidošanos kritiskos darbības apstākļos, kā arī novērš ārējā gaisa iekļūšanu sistēmā.

Ūdens izplešanās sildot un aizsardzība pret pārspiedienu

Karstā ūdens sildīšanas sistēmas darbojas pie ūdens temperatūras līdz 90 °C. Parasti sistēmu piepilda ar ūdeni 15°C temperatūrā, kas pēc tam karsējot izplešas. Šis tilpuma pieaugums nedrīkst izraisīt pārspiedienu un šķidruma pārplūdi.

Kad apkure vasarā tiek izslēgta, ūdens daudzums atgriežas sākotnējā vērtībā. Tādējādi, lai nodrošinātu netraucētu ūdens izplešanos, ir nepieciešams uzstādīt pietiekami lielu tvertni.

Vecajās apkures sistēmās bija atvērtas izplešanās tvertnes. Tie vienmēr atradās virs cauruļvada augstākās daļas. Kad temperatūra sistēmā paaugstinās, izraisot ūdens izplešanos, paaugstinās arī līmenis tvertnē. Pazeminoties temperatūrai, tā attiecīgi samazinājās.

Mūsdienu apkures sistēmās tiek izmantotas membrānas izplešanās tvertnes (MBV). Palielinoties spiedienam sistēmā, nedrīkst pieļaut, ka spiediens cauruļvados un citos sistēmas elementos palielinās virs robežvērtības.

Tāpēc katras apkures sistēmas priekšnoteikums ir drošības vārsta klātbūtne.

Kad spiediens paaugstinās virs normas, drošības vārstam ir jāatveras un jāiztukšo liekais ūdens daudzums, ko izplešanās tvertne nevar uzņemt. Tomēr rūpīgi izstrādātā un uzturētā sistēmā šāds kritisks stāvoklis nekad nedrīkst rasties.

Visos šajos apsvērumos nav ņemts vērā fakts, ka cirkulācijas sūknis vēl vairāk palielina spiedienu sistēmā. Rūpīgi jānosaka saistība starp maksimālo ūdens temperatūru, izvēlēto sūkni, izplešanās tvertnes izmēru un drošības vārsta iestatīto spiedienu. Sistēmas elementu nejauša izvēle - pat pamatojoties uz to izmaksām - šajā gadījumā ir nepieņemama.

Diafragmas izplešanās tvertne tiek piegādāta piepildīta ar slāpekli. Sākotnējais spiediens diafragmas izplešanās tvertnē ir jāpielāgo atkarībā no apkures sistēmas. Izplešanās ūdens no apkures sistēmas nonāk tvertnē un caur diafragmu saspiež gāzes kameru. Gāzes var saspiesties, bet šķidrumi nevar.

Spiediens

Spiediena noteikšana
Spiediens ir šķidrumu un gāzu statiskais spiediens, ko mēra traukos, cauruļvados attiecībā pret atmosfēras spiedienu (Pa, mbar, bar).

Statiskais spiediens
Statiskais spiediens ir nekustīga šķidruma spiediens.
Statiskais spiediens = līmenis virs atbilstošā mērīšanas punkta + sākotnējais spiediens izplešanās traukā.

dinamiskais spiediens
Dinamiskais spiediens ir kustīgas šķidruma plūsmas spiediens. Sūkņa izplūdes spiediens Tas ir centrbēdzes sūkņa izplūdes spiediens, kad tas darbojas.

Spiediena kritums
Centrbēdzes sūkņa radītais spiediens, lai pārvarētu sistēmas kopējo pretestību. To mēra starp centrbēdzes sūkņa ieplūdi un izplūdi.

Darba spiediens
Spiediens sistēmā, kad sūknis darbojas. Pieļaujamais darba spiediens Maksimālā pieļaujamā darba spiediena vērtība sūkņa un sistēmas drošas darbības apstākļos.

kavitācija

kavitācija- tas ir gāzes burbuļu veidošanās, kas rodas lokāla spiediena parādīšanās rezultātā, kas ir zemāks par sūknētā šķidruma iztvaikošanas spiedienu lāpstiņriteņa ieejā. Tas noved pie veiktspējas (galvas) un efektivitātes samazināšanās, kā arī izraisa troksni un sūkņa iekšējo daļu materiāla iznīcināšanu. Sakarā ar gaisa burbuļu sabrukšanu augstāka spiediena zonās (piemēram, pie lāpstiņriteņa izejas), mikroskopiski sprādzieni izraisa spiediena pārspriegumu, kas var sabojāt vai iznīcināt hidraulisko sistēmu. Pirmā pazīme tam ir troksnis lāpstiņritenī un tā erozija.

Svarīgs centrbēdzes sūkņa parametrs ir NPSH (šķidruma kolonnas augstums virs sūkņa sūkšanas sprauslas). Tas nosaka minimālo sūkņa ieplūdes spiedienu, kas nepieciešams sūkņa tipam, lai darbotos bez kavitācijas, t.i., papildu spiedienu, kas nepieciešams, lai novērstu burbuļu veidošanos. NPSH vērtību ietekmē lāpstiņriteņa tips un sūkņa ātrums. Ārējie faktori, kas ietekmē šo parametru, ir šķidruma temperatūra, atmosfēras spiediens.

Kavitācijas profilakse
Lai izvairītos no kavitācijas, šķidrumam jāieplūst centrbēdzes sūkņa ieplūdē ar noteiktu minimālo sūkšanas pacēlumu, kas ir atkarīgs no temperatūras un atmosfēras spiediena.
Citi veidi, kā novērst kavitāciju, ir:
Statiskā spiediena palielināšanās
Šķidruma temperatūras samazināšana (iztvaikošanas spiediena PD samazināšana)
Sūkņa izvēle ar zemāku konstantu hidrostatisko augstumu (minimālais sūkšanas augstums, NPSH)
Uzņēmuma "Agrovodkom" speciālisti ar prieku palīdzēs jums izlemt par labāko sūkņa izvēli. Sazinies ar mums!

Aleksandrs 2013-10-22 09:38:26
[Atbildēt] [Atbildēt ar citātu][Atcelt atbildi]

Nikolajs 2016-01-13 13:10:54

Ziņa no Aleksandrs
Sakiet vienkārši: ja slēgtā apkures sistēmā ūdens tilpums ir 100 litri. un 70 grādu temperatūra - cik daudz palielināsies ūdens tilpums. ūdens spiediens sistēmā 1,5 bar.

3,5-4,0 litri

[Atbildēt] [Atbildēt ar citātu][Atcelt atbildi]

Tēma: Nedzīvā daba

Nodarbība: Šķidra ūdens īpašības

Tīrā veidā ūdenim nav garšas, smaržas un krāsas, taču tas gandrīz nekad nenotiek, jo tas aktīvi izšķīdina lielāko daļu vielu sevī un savienojas ar to daļiņām. Turklāt ūdens var iekļūt dažādi ķermeņi(zinātnieki ir atraduši ūdeni pat akmeņos).

Hloram ir vājā vieta: tas var reaģēt uz hloramīnu un hlorētu ogļūdeņražu veidošanos, kas ir bīstami kancerogēni. Šīs reakcijas blakusprodukts ir hlorīts. Toksikoloģiskie pētījumi liecina, ka hlora dioksīda dezinfekcijas blakusprodukts hlorīts nerada būtisku risku cilvēka veselībai. Ja jums ir kādi citi jautājumi, sazinieties ar mums.

Mūsu bērni pasauli redz savādāk. Nekas neizbēg no viņu uzmanības, un viņu zinātkārei nav robežu. Viņi pastāvīgi uzdod jautājumus un vēlas atbildēt uz šo jautājumu. Bet problēmas ar bērniem mums bieži traucē. Mēs dalīsimies ar jums biežāk uzdotajiem jautājumiem un to atbildēm, lai sagatavotos nākamajai reizei.

Ja piepildīsiet glāzi ar ūdeni no krāna, tas izskatīsies tīrs. Bet patiesībā tas ir daudzu vielu šķīdums, starp kuriem ir gāzes (skābeklis, argons, slāpeklis, oglekļa dioksīds), dažādi gaisā esošie piemaisījumi, izšķīdušie sāļi no augsnes, dzelzs no ūdensvadiem, mazākās neizšķīdušās putekļu daļiņas u.c.

Kad ūdens tiek uzkarsēts, tā molekulas sāk kustēties. Palielinoties šai kustībai, attālums starp molekulām kļūst lielāks. Visbeidzot, pienāk brīdis, kad attiecības starp molekulām kļūst pārāk vājas. Molekulas izkliedējas un kļūst par ūdens tvaikiem. Šo procesu sauc par "iztvaikošanu".

Kas notur lidmašīnas gaisā? Kas notur milzīgo gaisu gaisā? Darba spēku šeit sauc par "pacelšanu". Pacēlums notiek, kad gaiss vienlaikus iet virs un zem spārna plaknes. Tā kā gaiss pārvietojas ātrāk nekā spārna gals, tas rada mazāku spiedienu. Tajā pašā laikā blīvais gaiss zem spārniem spiež lidmašīnu uz augšu. Jo lielāks ir lidmašīnas ātrums, jo augstāka ir pacelšana.

Ja ar pipeti uzpilināsiet krāna ūdens pilienus uz tīras glāzes un ļaujiet tai iztvaikot, paliks tikko pamanāmi plankumi.

Upju un strautu ūdens, vairums ezeru satur dažādus piemaisījumus, piemēram, izšķīdušos sāļus. Bet tādu ir maz, jo šis ūdens ir svaigs.

Skatoties atsevišķi, katra sniegpārsla ir bezkrāsaina un caurspīdīga. Atbilde ir tāda, ka tad, kad sniegpārslas veido lielu masu, tās atspoguļojas saules gaisma. Atstarotā gaisma ir balta, jo arī saule ir balta. Kāpēc cilvēka mati nevar būt dabiski?

Cilvēka mati satur pigmentus, kas padara tos melnus, brūnus, blondus vai sarkanus. Mūsu mati satur arī mazus gaisa burbuļus. Krāsu nosaka pigmentu kombinācijas un gaisa burbuļu daudzums matos. Pigmenti, kas atrodas mūsu matos, nevar radīt zilu vai zaļu, ja tos apvieno.

Ūdens plūst pa zemi un pazemē, piepilda straumes, ezerus, upes, jūras un okeānus, veido pazemes pilis.

Caur viegli šķīstošām vielām ūdens iekļūst dziļi pazemē, nesot tās sev līdzi, un caur plaisām un plaisām akmeņos, veidojot pazemes alas, pil no to arkas, veidojot dīvainas skulptūras. Simtiem gadu laikā iztvaiko miljardiem ūdens pilienu, un uz alas arkām nosēžas ūdenī izšķīdušās vielas (sāļi, kaļķakmeņi), veidojot akmens lāstekas, kuras sauc par stalaktītiem.

Kāpēc astronauti ceļo kosmosā? Pretēji tam, ko domā daudzi cilvēki, astronauti uz Starptautiskās klāja kosmosa stacija nav brīvs no gravitācijas. Zemes smagums ietekmē visus orbītā esošos objektus. Bet lielais augstums, kurā atrodas stacija, padara to par kritienu uz visiem laikiem. Šķiet, ka orbītā esošais objekts joprojām nepieskaras mūsu planētas virsmai un tā vietā lido virs Zemes. Iedomājieties, ka lifta kabīne nokrīt no debesskrāpja augšējā stāva. Persona, kas atrodas šajā kajītē, piedzīvos īslaicīgu bezsvara stāvokli.

Astronauti orbītā piedzīvo to pašu, bet visu laiku. Saules stariem nokļūstot planētas atmosfērā, tie tiek izkliedēti un saplīst. Sākotnēji baltā saules gaisma ir sadalīta 7 varavīksnes krāsās. Tā kā zilā krāsa izkliedē vairāk nekā citas krāsas, tā dominē. Bet debesis nekad nav pilnīgi zilas, jo spektrā ir citas krāsas.

Līdzīgus veidojumus alas grīdā sauc par stalagmītiem.

Un, kad stalaktīts un stalagmīts aug kopā, veidojot akmens kolonnu, to sauc par stalagnātu.

Migla sastāv no tūkstošiem sīku ūdens pilienu vai ledus kristālu, kas peld gaisā tieši virs zemes. Tas veidojas, kad gaiss ir auksts un zeme ir silta vai otrādi. Abos gadījumos parādās biezs ūdens tvaiku vai ledus daļiņu mākonis, kas izplatās virs virsmas.

Ūdens veidojas ķīmiskā reakcijā, kurā ūdeņradis oksidējas ar skābekli un izdalās siltums. Tā kā tas jau ir atkāpies, ūdens nevar dabiski sadegt. Kāpēc pulksteņi griežas pulksteņrādītāja virzienā? Pirms mehānisko pulksteņu izgatavošanas cilvēki izmanto saules pulksteņus, lai iegūtu priekšstatu par to, cik ilgs laiks nepieciešams. Saules pulkstenis pirmo reizi parādās ziemeļu puslodē, kur saules kustība liek ēnām pārvietoties no kreisās uz labo pusi. Vēlāk mehānisko pulksteņu vēsturē viņi šo kustību manto no saules.

Vērojot ledus dreifēšanu uz upes, mēs redzam ūdeni cietā (ledus un sniegs), šķidrā (plūst zem tā) un gāzveida stāvoklī (gaisā paceļas mazākās ūdens daļiņas, kuras sauc arī par ūdens tvaikiem).

Apaļā forma ir ideāli piemērota ripināšanai uz līdzenām virsmām. Tā kā visi riteņa punkti atrodas vienādā attālumā no savas ass, ass paliek vienādā augstumā virs zemes un transportlīdzeklis nekustas augšup un lejup, braucot pa ceļu. Papildus tam, ka mūsu apakšveļa tiek nodrošināta, tā arī aizsargā mūsu privātās daļas no infekcijām un ievainojumiem. Higiēna - galvenais iemesls ka mēs valkājam apakšveļu. Agrāk drēbes bija ļoti dārgas, un cilvēki bieži nevarēja tās nomainīt.

Šis mēģinājums aizņem nedaudz ilgāku laiku, tāpēc plānojiet to divām tikšanās reizēm un pamazām "audzējiet" dekoratīvos, ēdamos un neēdamos kristālus. Jūs varat izveidot kristāla displeju, kristālus, lai nosauktu sevi, radītu kristāla attēlus, gaidītu jūsu idejas un fotogrāfijas.

Ūdens vienlaikus var būt visos trīs stāvokļos: gaisā vienmēr ir ūdens tvaiki un mākoņi, kas sastāv no ūdens pilieniem un ledus kristāliem.

Ūdens tvaiki ir neredzami, taču tos var viegli noteikt, ja uz stundu atstājat ledusskapī atdzesētu ūdens glāzi siltā telpā, uz kuras sienām uzreiz parādīsies ūdens pilieni. Saskaroties ar stikla aukstajām sieniņām, gaisā esošie ūdens tvaiki pārvēršas ūdens pilienos un nosēžas uz stikla virsmas.

Ēdami un neēdami kristāli Varat atvērt un lejupielādēt visu tekstu vai. Tēma: Kristalizācija, piesātinātie šķīdumi. Cietās vielas iedala amorfās un kristāliskās vielās. Amorfo vielu daļiņu izvietojums ir nejaušs, un to struktūra atgādina šķidrumu struktūru. Kristālisko vielu daļiņas atrodas kristāla režģī. Šī režģa pamatā ir vienības šūna, kas pastāvīgi atkārtojas.

Kristalizācija jeb kristalizācija ir parādība, kuras rezultātā šķidrums veido cietus regulārus kristālus vide. Kristāli var veidoties no šķīdumiem, kausējumiem vai tvaikiem, kur spiediena, temperatūras vai vielas koncentrācijas izmaiņas var izraisīt kristalizāciju. Lai process noritētu vienmērīgi, ir nepieciešams vismaz viens no šiem nosacījumiem: Sākotnējā šķidruma temperatūras samazināšana. Kristalizatora koncentrācijas palielināšanās šķīdinātāja iztvaikošanas dēļ. Izejvielas paskābināšana ar kristalizētāju.

Rīsi. 11. Kondensāts uz auksta stikla sienām ()

Tā paša iemesla dēļ aukstajā sezonā loga rūts iekšpuse aizsvīst. Auksts gaiss nevar saturēt tik daudz ūdens tvaiku kā siltais gaiss, tāpēc daļa no tā kondensējas – pārvēršas ūdens pilienos.

Kristalizācija no šķīduma notiek, kad kristalizācijas viela tiek izšķīdināta, līdz šķīdums ir piesātināts noteiktā temperatūrā. Pēc karsēšanas šķīdums atkal kļūst nepiesātināts, bet, atdziestot vai iztvaicējot šķīdinātājam, šķīdums kļūst pārsātināts un notiek kristalizācija. Dabiskā kristalizācija notiek pēc nukleācijas kodola kodolu veidošanās. Kristalizāciju var arī mākslīgi izraisīt ar tā saukto inokulāciju – ieviešot šķīdumā svešķermeni, un šo metodi izmanto, piemēram, cukura ražošanā.

Baltā pēda aiz debesīs lidojošas lidmašīnas arī ir ūdens kondensācijas rezultāts.

Pienesot pie lūpām spoguli un izelpojot, uz tā virsmas paliks sīkas ūdens lāsītes, tas pierāda, ka elpojot cilvēks ieelpo ūdens tvaikus ar gaisu.

Nosaukums cēlies no arābu valodas bietes – balta. Turpmāka izmantošana ķīmiskajā un Pārtikas rūpniecība, stikls, papīrs, lauksaimniecība kā mēslojums un kaluma metināšanai. Šiem nolūkiem to sagatavo arī mākslīgi. Instrumenti: boraks, tējkanna, ūdens, dzidrs stikls, virpulis vai salmiņš, vītne vai stieple, cauruļu tīrīšanas līdzeklis, pārtikas krāsviela, karote.

Konstrukcija: no cauruļu tīrītāja veidojam jebkuru formu. Mēs piestiprinām šo formu pie vītnes vai stieples. Mēs pakarinām kociņu uz karotes vai salmiem. Ielejam ūdeni tējkannā un ielejam glāzē. Boraksu sajauc ūdenī, līdz tiek iegūts piesātināts šķīdums. Ja traukā paliek boraksa atliekas, izšķīdiniet šķīdumu tīrā glāzē. Izmantojot iesmu, iekariniet mūsu matains stieples korpusu glāzē tā, lai tas būtu pilnībā iegremdēts mūsu izveidotajā piesātinātajā boraksa šķīdumā un lai tas jebkurā brīdī nepieskartos stikla sienām un apakšai.

Sildot, ūdens "izplešas". To var pierādīt ar vienkāršu eksperimentu: stikla caurule tika nolaista kolbā ar ūdeni un izmērīts ūdens līmenis tajā; tad kolbu nolaida traukā ar siltu ūdeni un pēc ūdens uzsildīšanas vēlreiz mērīja līmeni mēģenē, kas manāmi paaugstinājās, jo sildot ūdenim palielinās tilpums.

Visa sistēma tiek atstāta uz nakti šķīdumā, lai boraks varētu kristalizēties. Paskaidrojums: Pūkainā stieple ir vieta, kur ļoti labi izveidojušies kristalizācijas kodoli, līdz kuriem pakāpeniski tiek saspiesti boraksa kristāli un kristāls aug. Kristalizāciju paātrina, izmantojot karstu ūdeni, lai izveidotu piesātinātu šķīdumu, un atdzesēšanu un iztvaicēšanu, lai iegūtu lieko šķīdumu.

Laiks: eksperimenta sagatavošana un visu palīglīdzekļu sagatavošana 5 minūtes. Eksperimenta tests5 min. Kristālu augšana 24 stundas. Kristālu apzīmējumi. Paredzamās 10 minūtes. Pārbaude 5 minūtes. Pēc 25 minūtēm un 24 stundām. Iespējama tālāka diskusija par eksperimentu un tā modifikācijām.

Rīsi. 14. Kolba ar caurulīti, cipars 1 un līnija norāda sākotnējo ūdens līmeni

Rīsi. 15. Kolba ar caurulīti, cipars 2 un līnija norāda ūdens līmeni sildot

Tas izsaka, kā mainās iekšējā enerģija, t.i. kustības enerģijas un ķermeņa daļiņu stāvokļa summa, kad ķermenis atdziest vai paaugstina temperatūru. Siltums ir vienāds ar enerģiju, ko siltuma apmaiņas laikā nodrošina silts ķermenis. Siltuma pārnese notiek caur starojumu.

Visos stāvokļos molekulas atrodas pastāvīgā nesakārtotā kustībā. Katrai daļiņai ir sava vieta, kas vibrē ap to. Kad daļiņas tiek uzkarsētas, tās vibrē ātrāk. Kad temperatūra pietiekami paaugstinās, daļiņas izlauzīsies no fiksētā stāvokļa un sāks brīvi kustēties. Šajā brīdī cietā viela sāks pārvērsties šķidrumā. Mēs to saucam par kušanu, kas notiek, un mēs sakām, ka audums kūst.

Kad ūdens atdziest, tas "saspiežas". To var pierādīt ar līdzīgu eksperimentu: šajā gadījumā kolba ar cauruli tika nolaista traukā ar ledu, pēc atdzesēšanas ūdens līmenis caurulē nokritās no sākotnējās atzīmes, jo ūdens samazinājās tilpumā.

Cietināšana Kad šķidrumu atdzesē, tas noteiktā temperatūrā sāk sacietēt un pārvēršas audos. Daļiņas, kas var brīvi kustēties, pārvietojas lēnāk, temperatūrai pazeminoties, līdz tās saplūst un nosēžas fiksētā stāvoklī, ap kuru tās vibrē. Šķidrums kļūst ciets. Mēs to saucam par sacietēšanu, un mēs sakām, ka viela sacietēs.

Vārīšanās notiek, kad šķidrums tiek uzkarsēts līdz vārīšanās temperatūrai. Viršanas temperatūra dažādiem šķidrumiem ir atšķirīga. Vārīšanās temperatūra ir atkarīga arī no spiediena virs šķidruma. Tas ietekmē arī vārīšanos ievērojama augstuma traukos. Šķidrums gāzē nonāk tikai no virsmas. Iztvaikojošais šķidrums noņem siltumu no apkārtējās vides. Iztvaikošana notiek jebkurā šķidruma temperatūrā.

Rīsi. 16. Kolba ar caurulīti, cipars 3 un līnija norāda ūdens līmeni dzesēšanas laikā

Tas notiek tāpēc, ka ūdens daļiņas, molekulas, karsējot kustas ātrāk, saduras viena ar otru, atgrūž viena otru no trauka sieniņām, palielinās attālums starp molekulām, un tāpēc šķidrums aizņem lielāku tilpumu. Kad ūdens tiek atdzesēts, tā daļiņu kustība palēninās, attālums starp molekulām samazinās, un šķidrumam ir nepieciešams mazāks tilpums.

Valdības lietu stundu plāni, skolēnu aktivitātes un grafiskie organizatori

Jo augstāka temperatūra, jo ātrāk notiek iztvaikošana, virsmas virsmas izmēri, jo vairāk ātra iztvaikošana, šķidruma īpašības, gāzes plūsma pār šķidrumu, gāzes tvaika spiediens virs šķidruma. Matēriju var raksturot kā kaut ko tādu, kas mūsu Visumā aizņem vietu. Daļiņu veids un veids, kā daļiņas ir sakārtotas, nosaka, kā jautājums izskatīsies un ko tas var darīt. Laba matērijas stāvokļa izpratne ir atslēga, lai aprakstītu visumu ap mums.

Dažādu vielu stāvokļu īpašības

Individuālā vai grupas uzdevuma veids.

Rīsi. 17. Ūdens molekulas normālā temperatūrā

Rīsi. 18. Ūdens molekulas karsējot

Rīsi. 19. Ūdens molekulas dzesēšanas laikā

Šādas īpašības piemīt ne tikai ūdenim, bet arī citiem šķidrumiem (spirtam, dzīvsudrabam, benzīnam, petrolejai).

Zinot šo šķidrumu īpašību, tika izgudrots termometrs (termometrs), kurā izmanto spirtu vai dzīvsudrabu.

Sasalstot, ūdens izplešas. To var pierādīt, ja ar ūdeni līdz malām piepildītu trauku brīvi nosedz ar vāku un ievieto saldētavā, pēc kāda laika redzēsim, ka izveidojies ledus pacels vāku, izejot tālāk par konteineru.

Šī īpašība tiek ņemta vērā, ieguldot ūdensvadus, kas jāizolē, lai, sasalstot, no ūdens izveidojies ledus nesalauž caurules.

Dabā sasalstošais ūdens var sagraut kalnus: ja rudenī ūdens sakrājas akmeņu spraugās, tad ziemā tas sasalst, un zem ledus spiediena, kas aizņem lielāku tilpumu nekā ūdens, no kura tas veidojies, klintis plaisāt un salauzt.

Ūdens, kas sasalst ceļa plaisās, noved pie asfalta seguma iznīcināšanas.

Garas grēdas, kas atgādina krokas uz koku stumbriem, ir brūces no koksnes plīsumiem, ko ietekmē sasalstoša koka sula. Tāpēc aukstajās ziemās parkā vai mežā var dzirdēt koku sprakšķēšanu.

Vahruševs A.A., Daņilovs D.D. Pasaule 3. M.: Ballas.
Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Pasaule ap 3. M .: Izdevniecība "Fedorov".
Plešakovs A.A. Apkārtējā pasaule 3. M .: Apgaismība.

Pedagoģisko ideju festivāls ().
Zinātne un izglītība ().
Publiskā klase ().

Izveidojiet īsu testu (4 jautājumi ar trīs iespējamām atbildēm) par tēmu "Ūdens mums apkārt".
Veiciet nelielu eksperimentu: uzlieciet glāzi ļoti auksta ūdens uz galda siltā telpā. Aprakstiet, kas notiks, paskaidrojiet, kāpēc.
*Uzzīmējiet ūdens molekulu kustību sakarsētā, normālā un atdzesētā stāvoklī. Ja nepieciešams, uzrakstiet parakstus uz zīmējuma.

Ūdens ir visizplatītākā viela uz planētas, un tai ir iezīme, kas to atšķir no citiem šķidrumiem: karsējot no kušanas temperatūras līdz 40 °C, tā saspiežamība palielinās un pēc tam samazinās.

Unikālas ūdens īpašības

Uz Zemes nav vielas, kas būtu svarīgāka cilvēkiem par ūdeni. Okeāni un jūras aizņem ¾ no planētas virsmas, vēl 20% no zemes virsmas klāj sniegs un ledus - ciets ūdens. Ja nebūtu ūdens, kas tieši ietekmē klimatu, Zeme pārvērstos par nedzīvu akmeni, kas lido pa kosmosu.

Dienas laikā cilvēce patērē vismaz 1 miljardu tonnu ūdens, bet kopējais resursa daudzums uz planētas paliek nemainīgs. Pirms miljoniem gadu uz Zemes virsmas bija tikpat daudz ūdens kā tagad.

Dzīvie organismi, kas apdzīvo planētu, ir iemācījušies pielāgoties nelabvēlīgiem apstākļiem. Taču neviena radība nevar pastāvēt bez ūdens – šo vielu satur visi dzīvnieki un augi. Cilvēka ķermenis sastāv no ¾ ūdens.

Ūdens saturs cilvēka organismā

Galvenās ūdens īpašības:

Nav krāsas;

caurspīdīgs;

Nav smaržas un garšas;

Spēj uzturēties trīs agregācijas stāvokļos;

Spēj pāriet no viena agregācijas stāvokļa uz citu;

Eksperiments, kas demonstrē ūdens īpašības, kad tas tiek uzkarsēts un atdzesēts

Lai veiktu eksperimentu mājās, jums būs nepieciešami divi konteineri un divas laboratorijas kolbas ar gāzes izplūdes cauruli, kā arī vielas: ledus, karsts ūdens un ūdens istabas temperatūrā.

Ielejiet ūdeni istabas temperatūrā divās identiskās kolbās, atzīmējiet ūdens līmeni ar atzīmi un nolaidiet to divos traukos - ar karstu ūdeni un ledu. Kāds ir eksperimenta rezultāts? Ūdens kolbā, kas iemērc karstā ūdenī, paceļas virs atzīmes. Ūdens kolbā, kas ievietots ledū, nokrītas zem atzīmes.

Secinājums: Karsēšanas rezultātā ūdens izplešas un, atdziestot, saraujas.

Eksperiments, kas demonstrē ūdens īpašības uzglabāšanas laikā dažādos apstākļos

Eksperiments tiek veikts mājās vakarā. Trīs vienādus traukus (der glāzes) piepildām ar 100 ml ūdens. Mēs uzliekam vienu stiklu uz palodzes, otro - uz galda, trešo - pie akumulatora.

No rīta salīdzinām rezultātus: uz palodzes atstātajā stiklā ūdens iztvaikojis par 1/3, glāzē uz galda ūdens iztvaikojis uz pusi, stikls pie akumulatora izrādījās tukšs un sauss: no tā iztvaikoja ūdens. Secinājums: ūdens iztvaikošana ir atkarīga no apkārtējās vides temperatūras, un jo augstāka tā ir, jo ātrāk ūdens iztvaiko.

Ūdens tvaiku pārvēršana ūdenī

Eksperimentam sagatavojam īpašu aprīkojumu:

spirta lampa;

metāla plāksne;

Kolba ar gāzes izplūdes cauruli.

Ielejiet kolbā ūdeni un karsējiet uz spirta lampas, līdz tas vārās. Pie gāzes izplūdes caurules turam aukstu metāla plāksni - uz tās ūdens pilienu veidā nosēžas tvaiks. transformācija gāzveida ūdensšķidrumā sauc par kondensāciju. Secinājums: spēcīgi karsējot, ūdens pārvēršas tvaikā un nonāk šķidrā stāvoklī, saskaroties ar aukstu virsmu.

Kondensāts uz stikla virsmas

Uzkarsējot ūdeni līdz vārīšanās temperatūrai

Ūdenim, kas sasniedz viršanas temperatūru, ir raksturīgās iezīmes: šķidrums vārās, iekšā parādās burbuļi, paceļas biezi tvaiki. Tas notiek tāpēc, ka ūdens molekulas, sildot, saņem papildu enerģiju no siltuma avota un pārvietojas ātrāk. Ilgstoši karsējot, šķidrums sasniedz viršanas temperatūru: uz trauka sieniņām parādās burbuļi.

uzsildīts ūdens

Ja vārīšana netiek apturēta, process turpinās, līdz viss ūdens ir pārvērsts gāzē. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās spiediens, ūdens molekulas kustas ātrāk un pārvar starpmolekulāros spēkus, kas tās saista. Atmosfēras spiediens ir pretstatā tvaika spiedienam. Ūdens vārās, kad tvaika spiediens pārsniedz vai sasniedz ārējo spiedienu.

Viena no visizplatītākajām vielām uz Zemes: ūdens. Mums tas ir vajadzīgs kā gaiss, bet dažreiz mēs to nemaz nepamanām. Viņa vienkārši ir. Bet izrādās

Viena no visizplatītākajām vielām uz Zemes: ūdens. Mums tas ir vajadzīgs kā gaiss, bet dažreiz mēs to nemaz nepamanām. Viņa vienkārši ir. Bet izrādās, ka parastais ūdens var mainīt tilpumu un svērt vai nu vairāk, vai mazāk. Ūdenim iztvaikojot, uzsilstot un atdziestot, notiek patiesi pārsteidzošas lietas, par kurām mēs šodien uzzināsim.
Muriela Mandela savā izklaidējošajā grāmatā "Fizikālie eksperimenti bērniem" izklāsta interesantākās domas par ūdens īpašībām, uz kuru pamata ne tikai jaunie fiziķi var uzzināt daudz jauna, bet arī pieaugušie atsvaidzinās zināšanas, ka viņi sen nav nācies pieteikties, tāpēc tie izrādījās nedaudz aizmirsti.Šodien mēs runāsim par ūdens tilpumu un svaru. Izrādās, ka vienāds ūdens tilpums ne vienmēr sver vienādi. Un, ja glāzē ielej ūdeni un tas nelīst pāri malai, tas nenozīmē, ka tas nekādā gadījumā tajā ietilps.

1. Sildot, ūdens izplešas

Ar ūdeni pildītu burku liek katliņā, kas piepildīts ar piecus centimetrus verdoša ūdens.ūdeni un vāra uz lēnas uguns. Ūdens no burkas sāks plūst pāri. Tas ir tāpēc, ka sildot, ūdens, tāpat kā citi šķidrumi, sāk aizņemt vairāk vietas. Molekulas atgrūž viena otru ar lielāku intensitāti, un tas noved pie ūdens tilpuma palielināšanās.

2. Ūdens atdziestot saraujas

Ļaujiet ūdenim burkā atdzist telpas temperatūra, vai ielej jaunu ūdeni un ieliek ledusskapī. Pēc kāda laika jūs atklāsit, ka iepriekš pilnā burka vairs nav pilna. Atdzesējot līdz 3,89 grādiem pēc Celsija, ūdens tilpums samazinās, temperatūrai pazeminoties. Iemesls tam bija molekulu kustības ātruma samazināšanās un to savstarpēja konverģence dzesēšanas ietekmē.Šķiet, ka viss ir ļoti vienkārši: jo aukstāks ir ūdens, jo mazāks tilpums tas aizņem, bet ...

3. ... ūdens tilpums atkal palielinās, kad tas sasalst

Piepildiet burku ar ūdeni līdz malām un pārklājiet ar kartona gabalu. Ielieciet to saldētavā un pagaidiet, līdz tas sasalst. Jūs atklāsiet, ka kartona "vāciņš" ir izstumts. Temperatūras diapazonā no 3,89 līdz 0 grādiem pēc Celsija, tas ir, ceļā uz sasalšanas punktu, ūdens atkal sāk paplašināties. Viņa ir viena no retajām zināmas vielas kam ir līdzīgs īpašums.Ja izmantosiet ciešu vāku, tad ledus burku vienkārši sasitīs. Vai esat kādreiz dzirdējuši, ka ar ledu var saplīst pat ūdens caurules?

4. Ledus ir vieglāks par ūdeni

Ievietojiet pāris ledus gabaliņus glāzē ūdens. Ledus peldēs uz virsmas. Ūdens izplešas, kad tas sasalst. Un rezultātā ledus ir vieglāks par ūdeni: tā tilpums ir aptuveni 91% no atbilstošā ūdens tilpuma.
Šī ūdens īpašība dabā pastāv kāda iemesla dēļ. Tam ir ļoti konkrēts mērķis. Viņi saka, ka upes ziemā aizsalst. Bet patiesībā tā nav gluži taisnība. Parasti sasalst tikai neliels virsējais slānis. Šī ledus sega negrimst, jo ir vieglāka par šķidru ūdeni. Tas palēnina ūdens sasalšanu upes dziļumā un kalpo kā sava veida sega, pasargājot zivis un citus upju un ezeru dzīvniekus no bargajiem ziemas salniem. Studējot fiziku, tu sāc saprast, ka dabā daudzas lietas ir sakārtotas lietderīgi.

5. Krāna ūdens satur minerālvielas

Ielejiet 5 ēdamkarotes vienkārša krāna ūdens nelielā stikla bļodā. Kad ūdens iztvaiko, uz bļodas paliks balta apmale. Šo apmali veido minerāli, kas tika izšķīdināti ūdenī, ejot cauri augsnes slāņiem.Paskatieties savā tējkannā, un jūs redzēsit minerālu nogulsnes. Tāda pati plāksne veidojas uz cauruma ūdens novadīšanai vannā.Mēģiniet iztvaikot lietus ūdeni, lai redzētu, vai tajā nav minerālvielu.

Japāņu fiziķis Masakazu Matsumoto izvirzīja teoriju, kas izskaidro, kāpēc ūdens saraujas, sildot no 0 līdz 4°C, nevis izplešas. Pēc viņa modeļa ūdens satur mikroveidojumus - "vitrītus", kas ir izliekti dobi daudzskaldņi, kuru virsotnēs atrodas ūdens molekulas, bet ūdeņraža saites kalpo kā malas. Temperatūrai paaugstinoties, savā starpā sacenšas divas parādības: pagarinājums ūdeņraža saites starp ūdens molekulām un vitrītu deformāciju, kas izraisa to dobumu samazināšanos. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 3,98°C pēdējā parādība dominē ūdeņraža saites pagarināšanās efektā, kas galu galā rada novēroto ūdens saspiešanu. Pagaidām nav eksperimentāla apstiprinājuma Matsumoto modelim - tomēr, kā arī citām teorijām, kas izskaidro ūdens saspiešanu.

Atšķirībā no lielākās daļas vielu, sildot, ūdens spēj samazināt savu tilpumu (1. att.), tas ir, tam ir negatīvs termiskās izplešanās koeficients. tomēr mēs runājam ne par visu temperatūras diapazonu, kurā ūdens pastāv šķidrā stāvoklī, bet tikai par šauru apgabalu - no 0 ° C līdz aptuveni 4 ° C. Augstā temperatūrā ūdens, tāpat kā citas vielas, izplešas.

Starp citu, ūdens nav vienīgā viela, kurai ir tendence sarukt, paaugstinoties temperatūrai (vai izplesties atdziestot). Bismuts, gallijs, silīcijs un antimons var arī "lepoties" ar līdzīgu uzvedību. Tomēr, ņemot vērā tās sarežģītāko iekšējo struktūru, kā arī tās izplatību un nozīmi dažādi procesi, tieši ūdens piesaista zinātnieku uzmanību (sk. Ūdens struktūras izpēte turpinās, "Elementi", 09.10.2006.).

Pirms kāda laika vispārpieņemtā teorija, atbildot uz jautājumu, kāpēc ūdens, pazeminoties temperatūrai, palielina savu tilpumu (1. att.), bija divu komponentu – “normāla” un “ledus līdzīgā” – maisījuma modelis. Šo teoriju 19. gadsimtā pirmo reizi ierosināja Harolds Vaitings, un vēlāk to izstrādāja un uzlaboja daudzi zinātnieki. Salīdzinoši nesen atklātā ūdens polimorfisma ietvaros tika pārdomāta Vaitinga teorija. No šī brīža tiek uzskatīts, ka pārdzesētā ūdenī ir divu veidu ledus līdzīgi nanodomēni: apgabali, kas līdzīgi amorfam ledus augsta un zema blīvuma. Pārdzesēta ūdens sildīšana noved pie šo nanostruktūru kušanas un divu veidu ūdens parādīšanās: ar lielāku un mazāku blīvumu. Tā ir viltīga temperatūras konkurence starp diviem iegūtā ūdens "veidiem", kas rada nemonotonisku blīvuma atkarību no temperatūras. Tomēr šī teorija vēl nav eksperimentāli apstiprināta.

Ar šo skaidrojumu jums jābūt uzmanīgiem. Nav nejaušība, ka šeit ir minētas tikai struktūras, kas atgādina amorfu ledu. Lieta ir tāda, ka amorfā ledus nanoskopiskajiem reģioniem un tā makroskopiskajiem analogiem ir atšķirīgi fizikālie parametri.

Japāņu fiziķis Masakazu Matsumoto nolēma rast skaidrojumu šeit apspriestajam efektam "no nulles", atmetot divkomponentu maisījuma teoriju. Izmantojot datormodelēšana, viņš aplūkoja ūdens fizikālās īpašības plašā temperatūras diapazonā - no 200 līdz 360 K pie nulles spiediena, lai molekulārā mērogā noskaidrotu patiesos ūdens izplešanās iemeslus, kad tas tiek atdzesēts. Viņa raksts žurnālā Physical Review Letters saucas: Kāpēc ūdens izplešas, kad tas atdziest? Kāpēc ūdens izplešas, kad tas atdziest?

Sākotnēji raksta autors uzdeva jautājumu: kas ietekmē ūdens termiskās izplešanās koeficientu? Matsumoto uzskata, ka šim nolūkam pietiek noskaidrot tikai trīs faktoru ietekmi: 1) ūdeņraža saišu garuma izmaiņas starp ūdens molekulām, 2) topoloģiskais indekss - saišu skaits uz vienu ūdens molekulu un 3) novirze no ūdens molekulām. leņķis starp saitēm no līdzsvara vērtības (leņķa deformācija).

Rīsi. 2. Ūdens molekulām visērtāk ir apvienoties klasteros, kuru leņķis starp ūdeņraža saitēm ir vienāds ar 109,47 grādiem. Šādu leņķi sauc par tetraedru, jo tas ir leņķis, kas savieno regulāra tetraedra centru un tā divas virsotnes. Attēls no lsbu.ac.uk

Pirms runājam par japāņu fiziķa iegūtajiem rezultātiem, mēs izteiksim svarīgas piezīmes un precizējumus par iepriekšminētajiem trim faktoriem. Pirmkārt, pierasts ķīmiskā formulaūdens H 2 O atbilst tikai tā tvaika stāvoklim. Šķidrā veidā ūdens molekulas tiek apvienotas grupās (H 2 O) x ar ūdeņraža saites palīdzību, kur x ir molekulu skaits. Enerģētiski vislabvēlīgākā piecu ūdens molekulu (x = 5) kombinācija ar četrām ūdeņraža saitēm, kurā saites veido līdzsvaru, tā saukto tetraedra leņķi, kas vienāds ar 109,47 grādiem (sk. 2. att.).

Analizējot ūdeņraža saites garuma atkarību starp ūdens molekulām no temperatūras, Matsumoto nonāca pie gaidītā secinājuma: temperatūras paaugstināšanās izraisa ūdeņraža saišu lineāru pagarinājumu. Un tas, savukārt, noved pie ūdens tilpuma palielināšanās, tas ir, tā paplašināšanās. Šis fakts ir pretrunā ar novērotajiem rezultātiem, tāpēc viņš tālāk aplūkoja otrā faktora ietekmi. Kā termiskās izplešanās koeficients ir atkarīgs no topoloģiskā indeksa?

Datorsimulācija sniedza šādu rezultātu. Plkst zemas temperatūras Procentuāli lielāko ūdens tilpumu aizņem ūdens kopas, kuru molekulā ir 4 ūdeņraža saites (topoloģiskais indekss ir 4). Temperatūras paaugstināšanās izraisa asociēto ar indeksu 4 skaita samazināšanos, bet tajā pašā laikā sāk pieaugt klasteru skaits ar indeksiem 3 un 5. Veicis skaitliskos aprēķinus, Matsumoto konstatēja, ka lokālais klasteru apjoms ar topoloģisko. indekss 4 praktiski nemainās, palielinoties temperatūrai, un kopējā asociēto vielu tilpuma izmaiņas ar indeksiem 3 un 5 jebkurā temperatūrā savstarpēji kompensē viens otru. Līdz ar to temperatūras izmaiņas nemaina kopējo ūdens tilpumu, kas nozīmē, ka topoloģiskajam indeksam nav nekādas ietekmes uz ūdens saspiešanu, kad tas tiek uzkarsēts.

Atliek noskaidrot ūdeņraža saišu leņķisko kropļojumu ietekmi. Un šeit sākas interesantākais un svarīgākais. Kā minēts iepriekš, ūdens molekulām ir tendence apvienoties tā, ka leņķis starp ūdeņraža saitēm ir tetraedrisks. Tomēr ūdens molekulu termiskās vibrācijas un mijiedarbība ar citām klasterī neiekļautajām molekulām neļauj tām to izdarīt, novirzot ūdeņraža saites leņķi no līdzsvara vērtības 109,47 grādi. Lai kvantitatīvi noteiktu šo leņķiskās deformācijas procesu, Matsumoto un kolēģi, pamatojoties uz savu iepriekšējo darbu Ūdeņraža saišu tīkla topoloģiskie celtniecības bloki ūdenī, kas publicēti 2007. gadā žurnālā Journal of Chemical Physics, izvirzīja hipotēzi, ka ūdenī pastāv trīsdimensiju mikrostruktūras, kas līdzīgas. izliekts dobs daudzskaldnis. Vēlāk turpmākajās publikācijās viņi šādas mikrostruktūras sauca par vitrītiem (3. att.). Tajos virsotnes ir ūdens molekulas, malu lomu spēlē ūdeņraža saites, bet leņķis starp ūdeņraža saitēm ir leņķis starp malām vitrītā.

Saskaņā ar Matsumoto teoriju ir ļoti daudz dažādu vitrītu formu, kas, tāpat kā mozaīkas elementi, veido lielu daļu no ūdens struktūras un kas vienlaikus vienmērīgi aizpilda visu tā tilpumu.

Rīsi. 3. Seši tipiski vitrīti, kas veido ūdens iekšējo struktūru. Bumbiņas atbilst ūdens molekulām, segmenti starp bumbiņām attēlo ūdeņraža saites. Vitrites apmierina slavenā teorēma Eilers daudzskaldnim: kopējais virsotņu un skaldņu skaits mīnus šķautņu skaits ir 2. Tas nozīmē, ka vitrīti ir izliekts daudzskaldnis. Citus vitrītu veidus var apskatīt vietnē vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Rīsi. no Masakazu Matsumoto, Akinori Baba un Iwao Ohminea Network Motif of Water raksta, kas publicēts AIP Conf. Proc.

Ūdens molekulām ir tendence veidot tetraedriskus leņķus vitrātos, jo vitrītiem jābūt ar viszemāko iespējamo enerģiju. Tomēr termisko kustību un lokālās mijiedarbības ar citiem vitrītiem dēļ dažām mikrostruktūrām nav ģeometrijas ar tetraedriskiem leņķiem (vai leņķiem, kas ir tuvu šai vērtībai). Viņi pieņem tādas strukturāli nelīdzsvara konfigurācijas (kas viņiem nav vislabvēlīgākās no enerģētiskā viedokļa), kas ļauj saņemt visu vitrītu “ģimeni”. mazākā vērtība enerģija starp iespējamiem. Tādus vitrītus, tas ir, vitrītus, kas it kā upurē sevi "kopējām enerģētiskajām interesēm", sauc par neapmierinātiem. Ja nefrustrētos vitritos dobuma tilpums ir maksimālais pie noteiktas temperatūras, tad nefrustrētajiem vitrītiem, gluži pretēji, ir minimālais iespējamais tilpums.

Matsumoto datorsimulācijas parādīja, ka vidējais vitrīta dobumu tilpums lineāri samazinās, palielinoties temperatūrai. Tajā pašā laikā neapmierinātie vitrīti ievērojami samazina to apjomu, savukārt nefrustrēto vitrītu dobuma tilpums gandrīz nemainās.

Tādējādi ūdens saspiešanu, palielinoties temperatūrai, izraisa divi savstarpēji konkurējoši efekti - ūdeņraža saišu pagarināšanās, kas izraisa ūdens tilpuma palielināšanos, un frustrētu vitrītu dobumu tilpuma samazināšanās. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 4°C dominē pēdējā parādība, kā liecina aprēķini, kas galu galā noved pie novērotās ūdens saspiešanas, palielinoties temperatūrai.

Atliek gaidīt eksperimentālu apstiprinājumu vitrītu esamībai un to uzvedībai. Bet tas, diemžēl, ir ļoti grūts uzdevums.

Mūs ieskauj ūdens, pats par sevi, kā daļa no citām vielām un ķermeņiem. Tas var būt ciets, šķidrs vai gāzveida, bet ūdens vienmēr ir mums apkārt. Kāpēc uz ceļiem plaisā asfalts, kāpēc aukstumā plīst stikla burka, kāpēc aukstajā sezonā aizsvīst logi, kāpēc lidmašīna atstāj baltu pēdu debesīs - meklēsim atbildes uz visiem šiem un citiem “kāpēc ” šajā nodarbībā. Uzzināsim, kā mainās ūdens īpašības, sildot, atdzesējot un sasalstot, kā tajās veidojas pazemes alas un dīvainas figūras, kā darbojas termometrs.