При какой температуре замерзает соленая вода: почему зимой не твердеет морская и жидкость в океане

Физические основы образования льда

Возможны два случая образования льда при охлаждении воды: первый, когда в воде отсутствуют кристаллы льда или зародыши для их образования, второй — когда они присутствуют в охлажденной воде. Каждый из них имеет свои особенности ледообразования. В первом случае процесс образования льда отличается большой сложностью и еще недостаточно изучен. Во втором случае процесс образования льда более простой, что позволяет определить количественные зависимости толщины и скорости промерзания льда от условий охлаждения воды и, следовательно, установить степень влияния отдельных факторов на этот процесс.

В холодильной технике образование льда почти всегда происходит в условиях, когда есть необходимые предпосылки для образования кристаллов льда. Образование твердой фазы из жидкой начинается только в отдельных точках — центрах кристаллизации. В свою очередь, образование первичных центров кристаллизации возможно только при переохлаждении жидкости. Переохлаждение жидкости — это разница температур между точкой плавления твердой фазы и температурой, при которой выпали первые кристаллы. После появления кристаллов температура жидкости повышается до точки плавления. Необходимость переохлаждения вызвана тем, что образующиеся группы (дисперсные кристаллы) с упорядоченным расположением молекул, близким к кристаллической структуре твердой фазы, нестабильны. Эти группы в соответствии с квазикристаллической структурой жидкости непрерывно разрушаются под действием теплового движения молекул. Когда температура жидкости опускается ниже ее точки плавления, эффект теплового движения молекул уменьшается.

Однако эти группы, представляющие собой всего несколько молекул с правильной кристаллической ориентацией, остаются нестабильными даже при охлаждении. Кристаллическая группа становится стабильной только тогда, когда она содержит несколько сотен молекул. Образование такой группировки не может происходить самопроизвольно: для этого необходимо содержание твердых частиц в жидкости. Стабильность этих групп может возникнуть только на границе раздела жидких и твердых частиц, поскольку существует жидкая пленка с особыми свойствами молекулярной ориентации, которые отличают ее от остальной жидкой массы.

Когда вода приближается к охлаждаемой стенке, первые кристаллы должны выделяться в виде тонкого слоя льда, так как это самая переохлажденная жидкая пленка, которая обладает свойствами организации молекул, необходимыми для образования стабильных групп.

Наиболее благоприятные условия будут тогда, когда теплопередающая стенка по своей структуре поверхности приближается к структуре кристалла льда и когда теплопередача через стенку является интенсивной. Поэтому шероховатые металлические стенки, особенно медные, при интенсивном охлаждении создают более благоприятные условия для образования первых кристаллов льда, чем гладкие и гладкие, особенно стеклянные, при их медленном охлаждении.

При интенсивном охлаждении воды с температурой выше 0 ° С у металлической стенки образуется сплошной тонкий слой льда, и переохлаждение воды резко падает до тысячных долей градуса (на практике можно предположить, что нет оба переохлаждение). Температура ледяной поверхности у границы воды в течение всего дальнейшего процесса охлаждения остается постоянной и равной 0 ° C. Действительно, температура плавления льда при атмосферном давлении не может быть выше 0 ° C, поскольку известно, что вещество не может иметь двойную фазу в перегретом состоянии. С другой стороны, температура может упасть только на тысячные доли градуса. Итак, на практике температуру льда на границе можно принять равной 0 ° C.

Эта важная особенность процесса замерзания льда у промытой водой охлаждаемой стенки позволяет получить относительно простые расчетные зависимости, характеризующие динамику замерзания льда в воде при положительных температурах.

Что влияет на градус замерзания

Какой океан самый большой, а какой самый маленький?

Давайте представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0 ° C — общеизвестно, что вода замерзает именно до этой степени — и в эту среду мы помещаем кусок льда и жидкую воду. Что случится? На самом деле ничего: вода не замерзнет и лед не начнет таять. Объяснение заключается в том, что в этой модели нет условий для фазового перехода.

Проще говоря: помимо понижения температуры до определенной точки на замерзание воды влияют и другие факторы. Одним из них является атмосферное давление, создаваемое гравитационным притяжением воздуха на Земле. А точка замерзания воды напрямую зависит от давления.

Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, тем ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды. На высоте 1000 метров вода замерзает при температуре + 2 ° C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизуется уже при + 4 ° C.

Наличие примесей

Кроме того, на замерзание воды, помимо давления и температуры, влияет ее состав: она содержит в разном количестве органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде падает до необходимой степени, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выступают в роли центрального ядра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замораживания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может остыть до минусовых температур, но не замерзнуть.

Следовательно, время замерзания воды зависит от следующих факторов:

• атмосферное давление в окружающей среде;
• температура воздуха;
• количество жидкости;
• его химический состав;
• в каком контейнере находится H2O (или отсутствие контейнера).

Температура замерзания соленой воды

Океанские воды мира

 

Замораживание воды

Когда вода замерзает, она расширяется. Вода не замерзает равномерно. Вначале на стенках стакана появляется лед, постепенно заполняющий весь сосуд. В воде молекулы движутся хаотично, поэтому она принимает форму сосуда, в который ее наливают. Лед, с другой стороны, имеет четкую кристаллическую структуру, а расстояние между молекулами льда больше, чем между молекулами воды, поэтому лед занимает больше места, чем вода, то есть он расширяется.

Соленая вода замерзает?

Чем соленее вода, тем ниже температура замерзания. Для эксперимента мы взяли два стакана: один с пресной водой (обозначен буквой B), другой — с очень соленой водой (обозначен буквами B + C).

После нахождения в морозильной камере на ночь соленая вода не замерзла, а в стакане образовались кристаллы льда. Пресная вода превратилась в лед.

Несколько слов о мировом океане.

А как насчет океанов, запасов пресной воды и уровня загрязнения? Попробуем выяснить:

1. Океаны еще стоят, с ними ничего не случилось. За последние несколько десятилетий уровень воды повысился. Возможно, это цикличное явление, а может, тают ледники.
2. Пресной воды тоже хоть отбавляй, паниковать рано. Если произойдет еще один глобальный конфликт, на этот раз с применением ядерного оружия, возможно, как в «Безумном Максе», мы будем молиться, чтобы сохранить влагу.
3. Последний пункт очень нравится экологам. А спонсорство получить не так уж и сложно, конкуренты всегда будут платить за черный пиар, особенно когда речь идет о нефтяных компаниях. Но именно они наносят основной урон водам морей и океанов. Не всегда удается контролировать нефтедобычу и аварийные ситуации, а последствия всякий раз катастрофические.

Но Мировой океан имеет преимущество перед человечеством. Он постоянно обновляется, и его истинные возможности самоочистки очень сложно оценить. Скорее всего, он сможет пережить человеческую цивилизацию и увидеть ее закат в совершенно приемлемом состоянии. Что ж, тогда у воды будут миллиарды лет, чтобы очиститься от всех «даров».

сложно даже представить, кому нужно знать, при какой температуре замерзает морская вода. Это общеобразовательный факт, но кто реально воспользуется им на практике — вот в чем вопрос.

Видео-эксперимент: замораживаем морскую воду

Вода морей и океанов сильно отличается от воды рек и озер. Он соленый — и это определяет многие его свойства. Температура замерзания морской воды также зависит от этого фактора. Он не равен 0 ° C, как в случае пресной воды. Чтобы покрыть себя льдом, морю нужен более сильный мороз.

однозначно сказать, при какой температуре замерзает морская вода, нельзя, так как этот показатель зависит от степени ее солености. В разных местах Мирового океана все по-разному.

Самое соленое — Красное море. Здесь концентрация соли в воде достигает 41 ‰ (ppm). Меньше всего соли в водах Балтийского залива — 5. В Черном море этот показатель составляет 18, а в Средиземном — 26. Соленость Азовского моря — 12. А если взять среднее, соленость морей составляет 34,7‰.

Чем выше соленость, тем больше морская вода должна остыть, прежде чем станет твердой.

Это хорошо видно из таблицы:

Соленость, Температура замерзания, ° C Соленость, ‰ Температура замерзания, ° C

0 (пресная вода)		ветры	-1,1
2	-0,1	22	-1,2
4	-0,2	24	-1,3
6	-0,3	26 год	-1,4
восемь	-0,4	28 год	-1,5
10	-0,5	тридцать	-1,6
12	-0,6	32	-1,7
14	-0,8	35 год	-1,9
16	-0,9	37	-2,0
18	-1,0	39	-2,1

Там, где соленость еще выше, как, например, в озере Сиваш (100), в заливе Кара-Богаз-Гол (250 ‰), в Мертвом море (более 270 ‰), вода может замерзнуть только с очень большой минус — в первом случае — при -6,1 ° C, во втором — ниже -10 ° C.

Средний показатель по всем морям можно принять равным -1,9 ° C.

Эффект «стекловидной» воды

Всем известно, что вода кипит при 100 ° C и замерзает при 0 ° C. Но не все так просто. Оказывается, чистая вода и морская вода не замерзают при нуле.

Если очень медленно охладить очень чистую воду (в идеале для такого эксперимента нужна дистиллированная вода), она останется жидкой при очень низких температурах. В этом промежуточном состоянии между льдом и водой структура вещества становится «стекловидной». Это состояние длится недолго. Если в такую ​​переохлажденную воду попадет небольшой кусочек льда, пылинка или снежинка, длинные кристаллы льда мгновенно вырастут во всем объеме.

Секрет здесь кроется в особенностях кристаллизации в смесях солей или других веществ. Они становятся «ядром», вокруг которого строится кристаллическая решетка. Разный состав определяет разные точки замерзания. Ученые обнаружили, что вода может оставаться жидкой даже при переохлаждении до -48 ° C, если она идеально чистая, не содержит солей и минералов. Если в воде есть тяжелые металлы, она начнет замерзать уже при +3,8 ° C.

Свойства

Важнейшие свойства морского льда — пористость и соленость, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г / см³). Из-за низкой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 1 / 7–1 / 10 своей толщины. Морской лед начинает таять при температуре выше -2,3 ° С. По сравнению с пресной водой, он труднее расщепляется на части и более эластичный.

Солёность

Соленость морского льда зависит от солености воды, скорости образования льда, интенсивности перемешивания воды и ее возраста. В среднем соленость льда в 4 раза ниже, чем соленость воды, которая его сформировала, и колеблется от 0 до 15 промилле (в среднем 3-8 ‰).

Плотность

Морской лед — это сложное физическое тело, состоящее из кристаллов свежего льда, рассола, пузырьков воздуха и различных примесей. Соотношение компонентов зависит от условий образования льда и последующих ледовых процессов и влияет на среднюю плотность льда. Поэтому наличие пузырьков воздуха (пористость) значительно снижает плотность льда. Соленость льда меньше влияет на плотность, чем пористость. При солености льда 2 ppm и нулевой пористости плотность льда составляет 922 килограмма на кубический метр, а при пористости 6% она снижается до 867. В то же время при нулевой пористости увеличение солености с 2 до 6 ppm приводят к увеличению плотности льда всего с 922 до 928 килограммов на кубический метр.

Теплофизические свойства

Средняя удельная теплопроводность морского льда примерно в пять раз больше, чем у воды, и в восемь раз больше, чем у снега, и составляет примерно 2,1 Вт / м солености и роста пор.

Теплоемкость морского льда приближается к теплоемкости свежего льда, поскольку температура льда уменьшается по мере замерзания рассола. С увеличением солености и, как следствие, увеличением массы рассола теплоемкость морского льда все больше зависит от теплоты фазовых превращений, то есть от изменения температуры. Эффективная теплоемкость льда увеличивается с увеличением его солености и температуры.

Теплота плавления (и кристаллизации) морского льда колеблется от 150 до 397 кДж / кг в зависимости от температуры и солености (с повышением температуры или солености теплота плавления уменьшается).

Оптические свойства

Чистый лед прозрачен для световых лучей. Включения (пузырьки воздуха, рассол, пыль) рассеивают лучи, значительно снижая прозрачность льда.

Оттенки морского льда на больших участках варьируются от белого до коричневого.

Белый лед образуется из снега и имеет много пузырьков воздуха или ячеек соляного раствора.

Молодой морской лед зернистой структуры со значительным количеством воздуха и рассола часто бывает зеленого цвета.

Многолетний лёд, из которого были выдавлены примеси, и молодой лёд, замерзший в штиль, часто имеют синий или голубой цвет. Ледниковый лед и айсберги тоже голубого цвета. Игольчатая структура кристаллов хорошо видна на синем льду.

Коричневый или желтоватый лед речного или прибрежного происхождения, содержит смеси глины или гуминовых кислот.

Исходные виды льда (сало, слякоть) темно-серого цвета, иногда со стальным оттенком. С увеличением толщины льда его цвет становится светлее, постепенно становясь белым. Когда они тают, тонкие кусочки льда становятся серыми.

Если лед содержит большое количество минеральных или органических примесей (планктон, взвеси ветра, бактерии), его цвет может измениться на красный, розовый, желтый и даже черный.

Благодаря свойству льда задерживать длинноволновую радиацию, он способен создавать парниковый эффект, который приводит к нагреванию воды внизу.

Механические свойства

Механические свойства льда указывают на его способность противостоять деформации.

Типичные виды деформации льда: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб. Выделяют три стадии деформации льда: упругую, упругопластическую и стадию разрушения. Учет механических свойств льда важен при определении оптимального пути движения ледоколов, а также при размещении грузов на льдинах, полярных станциях, при расчете прочности корпуса судна.

Из чего состоит морская вода?

Чем состав морей отличается от пресной воды? Разница не такая уж и большая, но все же:

• Намного больше соли.
• Преобладают соли магния и натрия.
• Плотность отличается незначительно, в пределах нескольких процентных пунктов.
• Сероводород может образовываться глубоко внутри.

Главный компонент морской воды, как бы предсказуемо это ни казалось, — это вода. Но в отличие от воды из рек и озер, она содержит большое количество хлоридов натрия и магния

Соленость оценивается в 3,5 промилле, но для наглядности — в 3,5 тысячных процента от общего состава.

И даже эта, не самая впечатляющая цифра, придает воде не только специфический вкус, но и делает ее непригодной для питья. Абсолютных противопоказаний нет, морская вода не яд и не токсичное вещество и от пары глотков ничего страшного не случится. О последствиях можно будет говорить, если человек будет хотя бы днем. Кроме того, в состав морской воды входят:

1. Фтор.
2. Бром.
3. Футбол.
4. Калий.
5. Хлор.
6. Сульфаты.
7. Золото.

Правда, процентное содержание всех этих элементов намного ниже солей.

Почему лед не тонет?

Считается, что уникальная способность льда не уходить под воду связана с появлением в нем особой кристаллической решетки, которая часто обогащена мельчайшими пузырьками воздуха. Ледяной покров, постепенно расширяющийся от берегов бассейна к его центру, надежно защищает всех жителей от сильных морозов, поддерживая положительную температуру под ледяным куполом.

Теоретически любой, даже самый большой водоем может замерзнуть до того же дня при определенных природных условиях и температуре. В обычное время даже небольшой пруд с максимальной глубиной около трех метров не может промерзать до дна из-за того, что, когда вода достигает критического уровня +4 градуса Цельсия, начинается интенсивный процесс движения слоев в пруд / озеро / река и другие подобные водоемы при разной температуре. Более холодные слои воды постепенно поднимаются наверх, а более теплые начинают опускаться на дно. При понижении средней температуры на поверхности водоема постепенно образуется лед, который нарушает процесс перемещения слоев воды разной температуры и не дает полностью замерзнуть миру подо льдом.

Почему нельзя пить морскую воду?

Вместе с морской водой в организм попадают два иона: магний и натрий.

Натрий	Магний
Он участвует в поддержании водно-солевого баланса, является одним из основных ионов вместе с калием.	Основное действие — на центральную нервную систему.
При увеличении количества Na в крови из клеток выделяется жидкость.	Выводится из организма очень медленно.
Нарушаются все биологические и биохимические процессы.	Избыток в организме приводит к диарее, которая усугубляет обезвоживание.
Человеческие почки не справляются с таким количеством соли в организме.	Возможно развитие нервных расстройств, неадекватное состояние.

Это не значит, что человеку не нужны все эти вещества, но ему нужно всегда укладываться в определенные рамки. Выпив несколько литров такой воды, вы выйдете слишком далеко за свои пределы.

Однако сегодня острая необходимость в использовании морской воды может возникнуть только у жертв кораблекрушений.

Солевой состав и соленость вод океана

Вода является активным растворителем, поэтому морская вода содержит почти все химические элементы, известные на Земле. Все растворенные вещества делятся на четыре группы: группа, определяющая соленость воды; группа микроэлементов, точнее «рассеянных» элементов; группа питательных веществ и группа растворенных газов.

Вещества первой группы содержатся в воде в наибольших количествах, измеряемых в граммах на килограмм, то есть в тысячных долях, в ppm (‰). Они определяют соленость воды.

Соленость, обозначаемая знаком S, ‰, является характеристикой, которая определяет многие физические свойства морской воды: плотность, точку замерзания, скорость звука и т.д.

Его важность также зависит от физических процессов: испарения, притока пресной воды, таяния льда, замерзания воды и т.д. Соленость — важнейшая характеристика морской воды.

В третью группу веществ входят соединения азота, фосфора, кремния и других элементов, участвующих в жизнедеятельности организмов, поэтому их называют биогенными веществами.

Их содержание порядка миллиграммов на кубический метр, т. Е. В миллион раз ниже, чем у веществ первой группы.

Эти вещества не влияют на физические свойства воды, а их количество и соотношение определяются биохимическими жизненными процессами.

Четвертая группа веществ — газы, содержащиеся в количествах, измеряемых миллиграммами на литр воды.

Это кислород, азот, сероводород и другие газы, количество которых связано как с физическими (температура, давление, соленость), так и с биологическими факторами.

Кроме того, морская вода содержит растворенное органическое вещество в виде коллоида, механические примеси (взвесь) в виде удаленного с земли материала или останков мертвых организмов и, наконец, живые организмы — от бактерий до рыб и млекопитающих.

Согласно современным представлениям, гидросфера, как и атмосфера, образовалась на ранних этапах развития Земли в результате плавления базальтов и дегазации верхней мантии. В это время сформировался первичный соленый состав вод Мирового океана и их соленость.

Впоследствии продукты разрушения Земли с другим химическим составом начали вымываться в океан, поэтому общее соотношение ионов начало меняться: основные катионы морской воды обязаны своим происхождением эрозии вулканических пород и их переносу в океан реками, и большая часть анионов связана с начальной фазой образования океанов, с дегазацией мантии. Эти процессы происходят в наше время. В последние годы с помощью пилотируемых глубоководных аппаратов удалось установить, что масштабы подводного вулканизма примерно в десять раз превышают масштабы вулканизма на суше. Подводные вулканы во многом определяют химический состав морской воды и атмосферы. Подсчитано, что вся вода Мирового океана проходит через гидротермальную стадию, нагреваясь до 300-400 ° C и вступая в реакцию с базальтами за 1-1,5 миллиона лет. При этом этот огромный период примерно в сто раз меньше возраста самих океанов. Изучение таких процессов — один из важнейших вопросов современной океанологии.

Эта закономерность формулируется как свойство постоянства солевого состава морских вод («закон Дитмара»). Он был обнаружен после изучения химических анализов проб воды, полученных во время кругосветной экспедиции Challenger В. Дитмаром.

Показано, что как в опресненном Балтийском море, так и в сильно засоленном Красном море соленый состав вод практически одинаков. Исключение составляют лишь сильно опресненные воды прибрежных районов со значительными речными стоками.

Ниже приведены солевой состав морской воды и концентрация различных ионов в водах средней солености (35,16 ‰) по данным О.А. Алекина и Ю.И. Ляхин (1984):

Содержание солей,% от массы солей

Хлориды (галогены)	88,7
Сульфаты	10,8
Карбонаты	0,3
Другой	0,2
Общий	100%
Анионы, ‰	Катионы, ‰
L- 19,35	Na + 10,76
SO42- 2,70	Mg2 + 1,30
HCO3- 0,14	Са2 + 0,41
Bg- 0,07	К + 0,39
3В03- 0,03	Sr2 + 0,01
Сумма 22.29	Сумма 12,87

Как видно из представленных данных, воды океанов и морей можно отнести к хлоридному классу и натриевой группе. Этим морские воды значительно отличаются от речных. Только восемь ионов обеспечивают более 99,9% общей массы солей в морской воде. Остальные 0,1% представляют почти все остальные элементы периодической таблицы Менделеева.

Сравнительные показатели

Наличие примесей существенно влияет на физические свойства вещества:

• Изменения плотности
• температурный режим,
• поведение при переходах из одного агрегатного состояния в другое.

 

Температура замерзания

Минерализация питьевой воды составляет 0,1%, поэтому температура замерзания составляет 0 градусов Цельсия. Концентрация минеральных добавок в соленой воде варьируется. Точка замерзания рассчитывается по формуле t3 = -0,0545 * S, т.е изменение происходит на -0,54 ° C на каждые 10 частей на миллион солености.

Например, при солености раствора 24,7 промилле (морская вода) показатель составляет -1,33 ° С. В Мертвом море насыщенность минеральными добавками достигает 350 промилле. Вода внутри будет кристаллизоваться при -19 ° C.

Почему несоленая замерзнет при 0 градусов, а соленая – меньше 0 градусов?

Солевые и пресные воды различаются по составу. Это 2 разных решения. Они различаются в физическом отношении. Поэтому температуры кристаллизации разные.

Факторы и их влияние

На начало процесса образования льда в питьевой воде влияют 2 фактора: процент растворенных минералов и давление.

Если количество примесей стремится к нулю и по физическим показателям питьевая вода приближается к химически чистому веществу, она может оставаться в жидком виде при температуре ниже 0 градусов.

Если снизить давление, процесс кристаллизации замедлится. При изменении показателя на 1 атмосферу температура повышается на 0,01 ° С.

Факторы, влияющие на температуру образования морского льда:

• концентрация минералов;
• внешние условия — погода, ветер, лабораторные условия или окружающая среда.