Температура замерзания воды¶
Температура замерзания воды — температура, при которой жидкая вода переходит в твёрдое состояние (лёд) при нормальном атмосферном давлении. При давлении 101,325 кПа (1 атм) она составляет 0 °C (273,15 K) по шкале Цельсия, что принято в качестве одной из определяющих точек температурной шкалы. Замерзание воды — кристаллизация: молекулы воды, утратив подвижность, упорядочиваются в кристаллическую решётку, образуя лёд.
¶Физическая природа явления
При охлаждении вода теряет кинетическую энергию молекул. При достижении точки замерзания энергия становится достаточно малой, чтобы межмолекулярные водородные связи удерживали молекулы в устойчивой кристаллической структуре — гексагональной решётке льда. При этом выделяется скрытая теплота плавления (около 334 Дж/г), поэтому температура кристаллизации при нормальном давлении остаётся постоянной до полного превращения всей жидкости в твёрдое тело.
Вода обладает аномальными свойствами: в твёрдом состоянии она менее плотная, чем жидкая (плотность льда ≈ 917 кг/м³ против ≈ 1000 кг/м³ у воды при 0 °C). Лёд всплывает, образуя на поверхности водоёмов изолирующий слой, что имеет решающее значение для сохранения жизни в водоёмах зимой.
¶Зависимость от давления
Точка замерзания воды зависит от давления. В отличие от большинства веществ, у которых повышение давления повышает температуру замерзания, у воды зависимость обратная: при увеличении давления температура замерзания снижается. Так, при давлении около 100 МПа (примерно 1000 атм) вода замерзает при −22 °C, а при 200 МПа — уже при −20 °C (фазовая диаграмма воды имеет сложный вид с несколькими полиморфными фазами льда). Это свойство объясняет, например, поведение ледников: под тяжестью толщи льда давление на нижние слои повышается, что способствует их плавлению и скольжению ледника по подстилающей поверхности.
¶Переохлаждение
Чистая вода при отсутствии центров кристаллизации способна охлаждаться ниже 0 °C, оставаясь жидкой. Это явление называется переохлаждением. Переохлаждённая вода термодинамически нестабильна: любое возмущение (удар, попадание примеси, кристалл-зародыш) вызывает мгновенную кристаллизацию с выделением тепла. В природе переохлаждение встречается в облаках, где капли воды при −10…−40 °C остаются жидкими до столкновения с ядрами кристаллизации.
¶Влияние примесей
Растворение примесей снижает температуру замерзания воды — это свойство называется понижением температуры замерзания (депрессией точки замерзания). Так, солевой раствор (например, рассол с концентрацией около 23 % NaCl) замерзает при −21 °C; смесь этиленгликоля с водой в пропорции 50:50 замерзает при −37 °C. Этот принцип лежит в основе действия антифризов и противогололёдных реагентов, которыми посыпают дороги и заливают системы охлаждения двигателей.
¶Точка замерзания как эталон
Точка замерзания воды при нормальном давлении исторически служит одной из фиксированных точек шкалы Цельсия и Кельвина. Согласно современной Международной температурной шкале ITS-90, тройная точка воды (273,16 K, 0,01 °C) используется как эталон для калибровки термометров; точка замерзания при 1 атм составляет 273,15 K.
¶Практическое значение
Знание температуры замерзания воды имеет прикладное значение в метеорологии (прогноз осадков, гололёд), строительстве (расчёт глубины промерзания грунта, противоморозные добавки в бетон), транспорте (антифризы, борьба с обледенением) и медицине (хранение крови и препаратов). В России глубина сезонного промерзания грунта достигает 1,5–2,5 м в средней полосе и более 2 м в Сибири, что определяет нормативы закладки фундаментов и подземных коммуникаций.
Источники:
- ГОСТ 8.568-97. Государственная система обеспечения единства измерений. Термометры сопротивления. Методы поверки
- Международная температурная шкала ITS-90 (Международный комитет по мерам и весам)
- Бриджмен П. В. Физика высокого давления
- Справочник химика, т. 1. Физические свойства неорганических соединений