Лед в жаркую погоду – это настоящее спасение! Когда термометр за окном показывает сверхвысокие температуры, мы с удовольствием кладем в свои напитки кубики льда, чтобы они охлаждали и придавали им особую свежесть. Однако, иногда бывает, что лед в стакане сохраняет свою форму и не тает на протяжении длительного времени, даже когда прекрасно понимаем, что количество тепла в напитке должно превышать температуру замерзания льда. В чем же корень этого загадочного феномена?
Невозможно не согласиться с тем, что таяние льда в стакане является научным чудом. Но есть вполне логичное объяснение этому явлению. Причина заключается в самой структуре льда и захватывающих нашу фантазию водных молекул.
Лед – это кристаллическая форма воды. Вода, замерзая, превращается в лед, который оказывается более компактным и плотным по сравнению с жидкой формой. И, когда мы полагаем лед в свой напиток, он начинает плавиться в результате передачи тепла от жидкости, окружающей его. Однако, благодаря поверхностному натяжению, молекулы воды находятся в состоянии неустойчивого равновесия, образуя камеры воздуха между собой.
Состояние равновесия в системе лед-вода
Сначала, при попадании кусочков льда в воду, воздействие окружающей среды, а конкретнее, вода, начинает согревать лед. Лед плавится, и при этом освобождается теплота, которую он поглотил при замерзании.
Согревание льда водой продолжается до тех пор, пока его температура не станет равной температуре воды. На этом этапе достигается состояние равновесия, когда количество плавающего и таящего льда становится постоянным.
Состояние равновесия обусловлено тем, что теплота, выделяемая при плавлении льда, компенсируется теплотой, которая поглощается окружающей водой. Таким образом, вся выделяющаяся теплота уходит на нагревание воды и не приводит к тому, чтобы плавиться весь лед.
Из этого следует, что если лед начнет таять, то его таяние приведет к охлаждению воды, и система будет снова приходить в состояние равновесия, при котором температура льда равна температуре воды.
Влияние давления на температуру плавления льда
Давление оказывает значительное влияние на температуру плавления льда. Обычно лед плавится при температуре 0°C, однако при повышении давления его температура плавления снижается. Это явление известно как «депрессия плавления».
При повышении давления на лед, межмолекулярные силы во льду оказываются нарушены, что делает его молекулы менее устойчивыми и способными к движению. Поскольку движение молекул является основной причиной плавления льда, увеличение давления ускоряет процесс плавления, снижая тем самым его температуру плавления.
Этот эффект впервые был установлен Жозефом Луи Гей-Люссаком в начале XIX века. Закон депрессии плавления был сформулирован Гей-Люссаком, который открыл, что для каждого вещества существует определенный коэффициент, показывающий, насколько давление изменяет температуру плавления.
В то время как обычное измерение температуры плавления проводится при нормальных атмосферных условиях, в реальной жизни давление часто изменяется. Это может объяснить, почему лед не тает в стакане, когда он остается неподвижным и не подвергается никакому дополнительному давлению. Низкое давление внутри стакана позволяет льду оставаться в твердом состоянии даже при комнатной температуре.
Однако, если к стакану с льдом применить давление, например, с помощью сжатого воздуха или силы, лед начнет таять, так как его температура плавления снизится под действием повышенного давления. Это объясняет, почему лед быстро тает, когда его раздавливают или подвергают резкому удару.
Формирование барьера из водной пленки
Растапливание льда происходит путем передачи тепла от окружающей среды к поверхности льда. Вода, находящаяся вблизи кусочка льда, также поглощает тепло и превращается в жидкость. Однако, когда эта жидкость составляет очень тонкий слой вокруг поверхности льда, она становится «захваченной» этим кусочком льда.
| Тонкий слой воды | Поверхность льда |
| Очень тонкий слой воды играет роль барьера, который отделает лед от остального окружающего воздуха. Это экранирующее действие позволяет замедлить передачу тепла и, следовательно, растапливание льда. | Конечный эффект состоит в том, что лед сохраняется в стакане дольше, чем ожидалось. |
Хотя тонкий слой воды является причиной оставления льда в основном нетронутым, он постепенно исчезает, когда все ледяные кристаллы полностью растают.
Формирование барьера из водной пленки является одним из объяснений того, почему лед не тает в стакане так быстро, как можно было бы ожидать.