งานวิจัย “ทำไมน้ำแข็งไม่จม” ทำไมน้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ จะอธิบายกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนให้เด็กฟังได้อย่างไร

ทำไมน้ำแข็งถึงลอยได้

ทุกคนรู้ดีว่าน้ำแข็งไม่ได้จม แต่ลอยอยู่บนผิวน้ำ ความจริงเรื่องนี้เป็นเรื่องผิดปกติมาก เนื่องจากน้ำแข็งเป็นของแข็ง และตามกฎแล้วของแข็งมักจะจมอยู่ในของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย

สารทั้งหมดในธรรมชาติจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง น้ำเป็นไปตามกฎนี้ แต่จะไม่เกินอุณหภูมิที่กำหนดเท่านั้น มันหดตัวและเย็นลงถึง +4°C ที่อุณหภูมินี้ น้ำมีความหนาแน่นและน้ำหนักมากที่สุด เมื่อมันเย็นลงอีกและกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิ 0°C มันก็... จะขยายตัว ในเวลาเดียวกัน น้ำแข็งจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้น และความหนาแน่นและน้ำหนักก็ลดลง น้ำแข็งจะเบากว่าน้ำที่ก่อตัวขึ้นมา นี่คือสาเหตุที่น้ำแข็งไม่ละลายในน้ำ แต่ลอยอยู่บนพื้นผิว

ด้วยคุณสมบัติของน้ำแข็งนี้ น้ำในอ่างเก็บน้ำจึงแข็งตัวบนพื้นผิวเท่านั้น ถ้าน้ำแข็งจมลงไปในน้ำ มันก็จะจมลงสู่ก้นบึ้ง น้ำบนผิวน้ำก็จะกลายเป็นน้ำแข็งอีกครั้ง และจมอีกครั้ง...ในเวลาไม่กี่วัน อ่างเก็บน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งจากผิวน้ำสู่ด้านล่าง สัตว์และพืชทั้งหมดก็จะแข็งตัวไปพร้อมกับน้ำ... ความจริงที่ว่าน้ำแข็งเบากว่าน้ำนั้นถูก "ประดิษฐ์" ขึ้นโดยธรรมชาติเพื่อให้สิ่งมีชีวิตในน้ำไม่เกิดขึ้น ยุติการดำรงอยู่ และด้วยชีวิตไปทั่วโลก

เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็งและกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำจะขยายตัวและเพิ่มปริมาตรไม่ใช่ในปริมาณใดๆ แต่ประมาณหนึ่งในเก้า ซึ่งหมายความว่าหากน้ำ 9 ลิตรกลายเป็นน้ำแข็ง คุณจะได้น้ำแข็ง 10 ลิตร

เมื่อน้ำแข็งลอย เราจะเห็นน้ำแข็งเพียงหนึ่งในเก้าเท่านั้นบนพื้นผิว ตัวอย่างเช่น หากแผ่นน้ำแข็งมีความสูง 2 ซม. เหนือน้ำ ดังนั้นชั้นน้ำแข็งที่อยู่ใต้น้ำจะหนาขึ้น 9 เท่า ซึ่งก็คือ 2 คูณ 9 = 18 ซม. และความหนาของแผ่นน้ำแข็งทั้งหมดคือ 20 ซม.

ในทะเลและมหาสมุทรบางครั้งมีภูเขาน้ำแข็งขนาดใหญ่ - ภูเขาน้ำแข็ง เหล่านี้เป็นธารน้ำแข็งที่เลื่อนลงมาจากภูเขาขั้วโลกและถูกกระแสน้ำและลมพัดพาลงสู่ทะเลเปิด ความสูงสามารถสูงถึง 200 เมตรและปริมาตรสามารถสูงถึงหลายล้าน ลูกบาศก์เมตร. เก้าในสิบของมวลรวมของภูเขาน้ำแข็งถูกซ่อนอยู่ใต้น้ำ ดังนั้นการพบเขาจึงเป็นอันตรายมาก หากเรือไม่สังเกตเห็นยักษ์น้ำแข็งที่กำลังเคลื่อนที่ทันเวลา เรืออาจได้รับความเสียหายร้ายแรงหรือแม้กระทั่งเสียชีวิตจากการชนกัน

คิม อิรินา นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 4

บทความวิจัยในหัวข้อ “ทำไมน้ำแข็งไม่จม?”

ดาวน์โหลด:

ดูตัวอย่าง:

คลังเทศบาล สถาบันการศึกษา"โรงเรียนมัธยมครัสโนยาสค์"

วิจัย

ดำเนินการ:

คิม อิริน่า

นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 4

หัวหน้างาน:

อิวาโนว่า เอเลน่า วลาดีมีรอฟน่า

ครูโรงเรียนประถม.

กับ. คราสนี ยาร์ 2013

1. บทนำ.

2.ส่วนหลัก:

ทำไมวัตถุถึงลอยได้?

นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ อาร์คิมีดีส

กฎของอาร์คิมีดีส

การทดลอง

ลักษณะสำคัญของน้ำ

3. บทสรุป.

4. รายการข้อมูลอ้างอิง

5. การใช้งาน

การแนะนำ.

เหตุใดสสารบางชนิดจึงจมในน้ำและบางชนิดไม่จมน้ำ? และเหตุใดจึงมีสารที่สามารถลอยอยู่ในอากาศได้น้อย (เช่น บิน) การทำความเข้าใจกฎการลอยตัว (และการจม) ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างเรือจากโลหะที่หนักกว่าน้ำ และออกแบบเรือบินและบอลลูนที่สามารถลอยอยู่ในอากาศได้ เสื้อชูชีพมีลมช่วยให้ลอยอยู่ในน้ำได้

ไม่มีใครสงสัยเลยว่าน้ำแข็งลอยอยู่บนน้ำ ทุกคนได้เห็นสิ่งนี้มาแล้วหลายร้อยครั้งทั้งในสระน้ำและในแม่น้ำ แต่ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? วัตถุอื่นใดที่สามารถลอยน้ำได้? นี่คือสิ่งที่ฉันตัดสินใจค้นหา

เป้า:

การพิจารณาสาเหตุของการไม่จมของน้ำแข็ง

งาน:

1. ค้นหาสภาพการลอยตัวของวัตถุ

2. ค้นหาสาเหตุที่น้ำแข็งไม่จม

3. ทำการทดลองเพื่อศึกษาการลอยตัว

สมมติฐาน:

บางทีน้ำแข็งอาจไม่จมเพราะน้ำมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำแข็ง

ส่วนสำคัญ:

ทำไมวัตถุถึงลอยได้?

หากคุณจุ่มร่างกายลงในน้ำ มันจะแทนที่น้ำบางส่วน ร่างกายจะอยู่ในบริเวณที่เคยมีน้ำและระดับน้ำก็สูงขึ้น

ตามตำนานนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณอาร์คิมิดีส (287 - 212 ปีก่อนคริสตกาล) ขณะอยู่ในอ่างอาบน้ำเดาว่าร่างกายที่จมอยู่ใต้น้ำจะแทนที่น้ำในปริมาณเท่ากัน ภาพแกะสลักในยุคกลางแสดงให้เห็นว่าอาร์คิมีดีสค้นพบสิ่งที่เขาค้นพบ. (ดูภาคผนวก 1)

แรงที่น้ำผลักร่างกายที่จมอยู่นั้นเรียกว่าแรงลอยตัว

กฎของอาร์คิมิดีสระบุว่าแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่โดยร่างกายที่จมอยู่ในนั้น ถ้าแรงพยุงตัวน้อยกว่าน้ำหนักตัวก็จะจม ถ้าเท่ากับน้ำหนักตัวก็จะลอยได้

การทดลองหมายเลข 1 :(ดูภาคผนวก 2)

ฉันตัดสินใจว่าแรงลอยตัวทำงานอย่างไร สังเกตระดับน้ำ และวางลูกบอลดินน้ำมันที่มีแถบยางยืดลงในภาชนะที่มีน้ำ หลังจากดำน้ำ ระดับน้ำเพิ่มขึ้นและความยาวของยางยืดลดลง ฉันทำเครื่องหมายระดับน้ำใหม่ด้วยปากกาสักหลาด

สรุป: จากฝั่งน้ำ มีแรงพุ่งขึ้นกระทบกับลูกบอลดินน้ำมัน ดังนั้นความยาวของแถบยางยืดจึงลดลงเช่น ลูกบอลที่แช่อยู่ในน้ำก็เบาขึ้น

จากนั้นเธอก็ปั้นเรือจากดินน้ำมันชนิดเดียวกันแล้วหย่อนลงไปในน้ำอย่างระมัดระวัง อย่างที่คุณเห็นน้ำยังสูงขึ้นไปอีก เรือแทนที่น้ำมากกว่าลูกบอล ซึ่งหมายความว่าแรงลอยตัวมีมากกว่า

สิ่งมหัศจรรย์เกิดขึ้น วัสดุที่กำลังจม ลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ! เฮ้ อาร์คิมีดีส!

เพื่อป้องกันไม่ให้ร่างกายจม ความหนาแน่นของมันจะต้องน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

ไม่รู้ว่าความหนาแน่นคืออะไร? นี่คือมวลของสารที่เป็นเนื้อเดียวกันต่อหน่วยปริมาตร

การทดลองที่ 2: “การพึ่งพาแรงลอยตัวต่อความหนาแน่นของน้ำ”(ดูภาคผนวก 3)

ฉันเอา: น้ำสะอาดหนึ่งแก้ว (บางส่วน) ไข่ดิบและเกลือ

ตอกไข่ใส่แก้ว ถ้าไข่สด ไข่จะจมลงก้นแก้ว จากนั้นเธอก็เริ่มเทเกลือลงในแก้วอย่างระมัดระวัง และเฝ้าดูไข่เริ่มลอย

สรุป: เมื่อความหนาแน่นของของเหลวเพิ่มขึ้น แรงลอยตัวจะเพิ่มขึ้น

มีช่องอากาศอยู่ในไข่ และเมื่อความหนาแน่นของของเหลวเปลี่ยนไป ไข่จะลอยขึ้นสู่ผิวน้ำเหมือนเรือดำน้ำ

ก่อนหน้านี้ ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์ตู้เย็น บรรพบุรุษของเราได้ตรวจสอบว่าไข่สดหรือไม่ ไข่สดจะจมอยู่ในน้ำสะอาด และไข่เน่าจะลอยอยู่เมื่อมีก๊าซก่อตัวอยู่ภายใน

การทดลองที่ 3 “มะนาวลอยน้ำ”(ดูภาคผนวก 4)

ฉันเติมน้ำลงในภาชนะแล้วใส่มะนาวลงไป มะนาวลอย. แล้วเธอก็ปอกเปลือกแล้วใส่กลับลงไปในน้ำ มะนาวจมน้ำ

สรุป: มะนาวจมเพราะความหนาแน่นเพิ่มขึ้น เปลือกมะนาวมีความหนาแน่นน้อยกว่าผิวด้านในและมีอนุภาคอากาศจำนวนมากที่ช่วยให้มะนาวคงอยู่บนผิวน้ำได้

การทดลองที่ 4 (ดูภาคผนวก 5)

1. ฉันเทน้ำลงในแก้วแล้ววางไว้ข้างนอก เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง กระจกก็แตก ใส่น้ำแข็งที่ขึ้นรูปแล้วลงในภาชนะที่มี น้ำเย็นและเห็นว่าเขากำลังว่ายน้ำอยู่

2. ในภาชนะอื่น ใส่เกลือลงในน้ำให้ละเอียดแล้วคนให้เข้ากันจนละลายหมด ฉันหยิบน้ำแข็งแล้วทำการทดลองซ้ำ น้ำแข็งลอยได้ และดีกว่าน้ำจืด โดยเกือบครึ่งหนึ่งที่ยื่นออกมาจากน้ำ

ชัดเจน! ก้อนน้ำแข็งลอยได้เพราะเมื่อแข็งตัว น้ำแข็งจะขยายตัวและเบากว่าน้ำ ความหนาแน่นของน้ำของเหลวธรรมดาจะมากกว่าความหนาแน่นของน้ำแช่แข็งเล็กน้อย ซึ่งก็คือ น้ำแข็ง เมื่อความหนาแน่นของของเหลวเพิ่มขึ้น แรงลอยตัวก็จะเพิ่มขึ้น

ข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์:

ข้อเท็จจริง 1 ข้อ อาร์คิมิดีส: วัตถุใดก็ตามที่แช่อยู่ในของเหลวจะมีแรงลอยตัว

ข้อเท็จจริง 2 มิคาอิล โลโมโนซอฟ:

น้ำแข็งไม่จมเพราะมีความหนาแน่น 920 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร และน้ำซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าคือ 1,000 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร

บทสรุป:

ฉันพบเหตุผล 2 ประการที่ทำให้น้ำแข็งไม่จม:

1. วัตถุใดๆ ที่จมอยู่ในน้ำจะต้องได้รับแรงลอยตัว
2. ความหนาแน่นของน้ำแข็งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำใดๆ

ลองจินตนาการว่าโลกจะเป็นอย่างไรหากน้ำมีคุณสมบัติปกติ และน้ำแข็งก็จะมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำของเหลว เช่นเดียวกับสสารปกติทั่วไป

ในฤดูหนาว น้ำแข็งที่มีความหนาแน่นมากขึ้นจากด้านบนจะจมลงไปในน้ำ และจมลงสู่ก้นอ่างเก็บน้ำอย่างต่อเนื่อง ในฤดูร้อน น้ำแข็งที่ถูกปกป้องด้วยชั้นน้ำเย็นไม่สามารถละลายได้

ทะเลสาบ บ่อน้ำ แม่น้ำ ลำธารทั้งหมดจะค่อยๆ แข็งตัวจนกลายเป็นน้ำแข็งขนาดยักษ์ ในที่สุดทะเลก็กลายเป็นน้ำแข็ง ตามมาด้วยมหาสมุทร โลกสีเขียวที่เบ่งบานสวยงามของเราก็จะต่อเนื่องกัน ทะเลทรายน้ำแข็งในบางสถานที่ปกคลุมด้วยชั้นน้ำละลายบาง ๆ หนึ่งในคุณสมบัติพิเศษของน้ำเหล่านี้คือความสามารถในการขยายตัวเมื่อกลายเป็นน้ำแข็ง ท้ายที่สุดเมื่อสารทั้งหมดแข็งตัวนั่นคือระหว่างการเปลี่ยนจากของเหลวเป็นสถานะของแข็งพวกมันจะบีบอัด แต่ในทางกลับกันน้ำจะขยายตัว ปริมาณของมันเพิ่มขึ้น 9% แต่เมื่อน้ำแข็งก่อตัวบนผิวน้ำ ซึ่งอยู่ระหว่างอากาศเย็นกับน้ำ จะป้องกันไม่ให้แหล่งน้ำเย็นตัวลงและกลายเป็นน้ำแข็งอีกต่อไป คุณสมบัติของน้ำที่ผิดปกตินี้ยังมีความสำคัญต่อการก่อตัวของดินในภูเขาอีกด้วย เมื่อเข้าไปในรอยแตกเล็กๆ มักพบในหิน น้ำฝนจะขยายตัวเมื่อกลายเป็นน้ำแข็งและทำลายหิน ดังนั้นพื้นผิวหินจึงค่อย ๆ กลายเป็นที่กำบังพืชซึ่งด้วยรากของมันทำให้กระบวนการทำลายหินนี้เสร็จสมบูรณ์และนำไปสู่การก่อตัวของดินบนเนินเขา

น้ำแข็งมักจะอยู่บนผิวน้ำและทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อนอย่างแท้จริง นั่นคือน้ำที่อยู่ด้านล่างไม่เย็นมากนักเพราะชั้นน้ำแข็งช่วยปกป้องจากน้ำค้างแข็งได้อย่างน่าเชื่อถือ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นเรื่องยากที่แหล่งน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งจนถึงด้านล่างในฤดูหนาว แม้ว่าจะเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิอากาศสูงจัดก็ตาม

ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันเมื่อน้ำเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง คุณสมบัติที่สำคัญน้ำ. บ่อยครั้งต้องคำนึงถึงคุณลักษณะนี้ในชีวิตจริงด้วย ถ้าคุณทิ้งถังน้ำไว้ในน้ำเย็น น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งและถังแตก ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ คุณไม่ควรทิ้งน้ำไว้ในหม้อน้ำของรถที่จอดอยู่ในโรงจอดรถเย็น ในน้ำค้างแข็งรุนแรงคุณต้องระวังการหยุดชะงักของอุปทานเพียงเล็กน้อย น้ำอุ่นผ่านท่อทำน้ำร้อน: น้ำที่หยุดอยู่ในท่อด้านนอกสามารถแข็งตัวได้อย่างรวดเร็วจากนั้นท่อจะแตก

ใช่แล้ว ท่อนไม้จะใหญ่แค่ไหนก็ไม่จมน้ำ ความลับของปรากฏการณ์นี้คือความหนาแน่นของไม้น้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

อนึ่ง...

มีต้นไม้จมน้ำด้วย! เหตุผลก็คือความหนาแน่นของพวกมันมากกว่าความหนาแน่นของน้ำ ต้นไม้เหล่านี้เรียกว่าต้นไม้ "เหล็ก" “ต้นเหล็ก” ได้แก่ ต้นนกแก้วเปอร์เซีย อะโซเบ (ต้นเหล็กเขตร้อนของแอฟริกา) ไม้อเมซอน ไม้มะเกลือ ไม้ชิงชัน หรือไม้ชิงชัน คูมารุ และอื่นๆ ต้นไม้เหล่านี้ทั้งหมดมีเนื้อไม้ที่แข็งและหนาแน่นมาก อุดมไปด้วยน้ำมัน เปลือกของต้นไม้เหล่านี้ทนทานต่อการเน่าเปื่อย ดังนั้นเรือที่ทำจากไม้ดังกล่าวจะจมลงสู่ก้นบ่อทันที แต่ "ต้นเหล็ก" จึงเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมในการทำเฟอร์นิเจอร์

ในทะเลและมหาสมุทรบางครั้งมีภูเขาน้ำแข็งขนาดใหญ่ - ภูเขาน้ำแข็ง เหล่านี้เป็นธารน้ำแข็งที่เลื่อนลงมาจากภูเขาขั้วโลกและถูกกระแสน้ำและลมพัดพาลงสู่ทะเลเปิด ความสูงสามารถสูงถึง 200 เมตรและปริมาตรสามารถสูงถึงหลายล้านลูกบาศก์เมตร เก้าในสิบของมวลรวมของภูเขาน้ำแข็งถูกซ่อนอยู่ใต้น้ำ ดังนั้นการพบเขาจึงเป็นอันตรายมาก หากเรือไม่สังเกตเห็นยักษ์น้ำแข็งที่กำลังเคลื่อนที่ทันเวลา เรืออาจได้รับความเสียหายร้ายแรงหรือแม้กระทั่งเสียชีวิตจากการชนกัน

ข้าว. 4. เก้าในสิบของมวลภูเขาน้ำแข็งอยู่ใต้น้ำ

แม้ว่าเรือจะทำด้วยเหล็ก หนักมาก และบรรทุกคนและสินค้าได้ แต่ก็ไม่จม ทำไม แต่ประเด็นทั้งหมดก็คือ ภายในเรือ นอกจากลูกเรือ ผู้โดยสาร และสินค้าแล้ว ยังมีอากาศอีกด้วย และอากาศเบากว่าน้ำมาก เรือได้รับการออกแบบในลักษณะที่มีช่องว่างภายในเต็มไปด้วยอากาศ นี่คือสิ่งที่ช่วยพยุงเรือบนผิวน้ำและป้องกันไม่ให้เรือจม

เรือดำน้ำ

เรือดำน้ำจมและขึ้นผิวน้ำ โดยเปลี่ยนความหนาแน่นสัมพัทธ์ พวกเขามีภาชนะขนาดใหญ่บนเรือ - ถังอับเฉา เมื่ออากาศออกจากเรือและมีน้ำถูกสูบเข้าไป ความหนาแน่นของเรือจะเพิ่มขึ้นและเรือจะจม ในการที่จะลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ ลูกเรือจะนำน้ำออกจากถังและปั๊มอากาศเข้าไป ความหนาแน่นลดลงอีกครั้งและเรือก็ลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ ถังอับเฉาถูกวางไว้ระหว่างตัวถังด้านนอกกับผนังของช่องด้านใน ลูกเรืออาศัยและทำงานในห้องโดยสารด้านใน เรือดำน้ำติดตั้งใบพัดอันทรงพลังที่ช่วยให้สามารถเคลื่อนที่ผ่านน้ำได้ เรือบางลำมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

บทสรุป.

หลังจากทำงานหนักมามากฉันก็เข้าใจ สมมติฐานของฉันเกี่ยวกับสาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมได้รับการยืนยันแล้ว

สาเหตุที่ไม่สามารถจมได้น้ำแข็ง:

1. น้ำแข็งประกอบด้วยผลึกน้ำที่มีอากาศอยู่ระหว่างนั้น ดังนั้นความหนาแน่นของน้ำแข็งจึงน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ

2. แรงลอยตัวกระทำบนน้ำแข็งจากด้านข้างของน้ำ

หากน้ำเป็นของเหลวธรรมดาและไม่ใช่ของเหลวที่มีลักษณะเฉพาะ เราคงไม่สนุกกับการเล่นสเก็ต เราไม่ได้กลิ้งบนกระจกใช่ไหม? แต่มันราบรื่นกว่ามากและ น่าดึงดูดยิ่งกว่าน้ำแข็ง. แต่แก้วเป็นวัสดุที่รองเท้าสเก็ตจะไม่เลื่อน แต่การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็ง แม้ว่าจะไม่ได้คุณภาพดีนัก แต่การเล่นสเก็ตก็เป็นเรื่องที่น่ายินดี คุณจะถามว่าทำไม? ความจริงก็คือน้ำหนักของร่างกายเรากดบนใบมีดที่บางมากของสเก็ต ซึ่งออกแรงกดอย่างรุนแรงบนน้ำแข็ง จากแรงกดดันจากสเก็ต น้ำแข็งเริ่มละลาย ก่อตัวเป็นแผ่นน้ำบางๆ ที่สเก็ตสามารถร่อนได้อย่างสมบูรณ์แบบ

แอปพลิเคชัน

ภาคผนวก 1

เราแต่ละคนเฝ้าดูแผ่นน้ำแข็งที่ลอยอยู่บนแม่น้ำในฤดูใบไม้ผลิ แต่ทำไมพวกเขาถึงเป็น อย่าจมน้ำ? อะไรทำให้พวกเขาอยู่บนผิวน้ำ?

ดูเหมือนว่าแม้จะมีน้ำหนัก แต่ก็มีบางสิ่งที่ไม่ยอมให้พวกเขาล้มลง ฉันจะเปิดเผยแก่นแท้ของปรากฏการณ์ลึกลับนี้

ทำไมน้ำแข็งถึงไม่จม?

ประเด็นคือน้ำเยอะมาก สารที่ผิดปกติ. เธอมี คุณสมบัติที่น่าทึ่งซึ่งบางครั้งเราก็ไม่ได้สังเกตเลย

ดังที่คุณทราบ เกือบทุกสิ่งในโลกจะขยายตัวเมื่อได้รับความร้อนและหดตัวเมื่อเย็นลง กฎนี้ยังใช้กับน้ำด้วย แต่มีข้อสังเกตที่น่าสนใจประการหนึ่ง: เมื่อเย็นลงจาก +4°C ถึง 0°C น้ำจะเริ่มขยายตัว. สิ่งนี้อธิบายความหนาแน่นต่ำของมวลน้ำแข็ง ขยายจากปรากฏการณ์ข้างต้นกลายเป็นน้ำ เบากว่าอันที่มันตั้งอยู่และเริ่มล่องลอยไปบนพื้นผิวของมัน

น้ำแข็งนี้มีอันตรายแค่ไหน?

ปรากฏการณ์ที่อธิบายข้างต้นมักพบในธรรมชาติและชีวิตประจำวัน แต่ถ้าคุณเริ่มลืมมันไปก็อาจกลายเป็นต้นตอของปัญหามากมายได้ ตัวอย่างเช่น:

• ในฤดูหนาว กระป๋องน้ำแช่แข็ง ท่อน้ำแตก;

• น้ำเดียวกันซึ่งกลายเป็นน้ำแข็งในรอยแตกบนภูเขามีส่วนช่วย การทำลายหินทำให้เกิดภูเขาถล่ม
• เราต้องไม่ลืม ระบายน้ำออกจากหม้อน้ำรถยนต์เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์ข้างต้น

แต่ก็มีแง่บวกเช่นกัน ท้ายที่สุดแล้วหากน้ำไม่มีคุณสมบัติที่น่าทึ่งเช่นนั้นก็ไม่มีกีฬาเช่นนี้ สเก็ต. เนื่องจากน้ำหนักของร่างกายคน ใบมีดของรองเท้าสเก็ตจึงสร้างแรงกดบนน้ำแข็งมากจนละลาย ทำให้เกิดแผ่นฟิล์มน้ำที่เหมาะสำหรับการร่อน

น้ำในทะเลลึก

จุดที่น่าสนใจอีกจุดหนึ่งก็คือ แม้ว่าอุณหภูมิในมหาสมุทร (หรือทะเล) จะมีอุณหภูมิเป็นศูนย์ แต่น้ำก็อยู่ที่นั่น ไม่หยุด,ไม่กลายเป็นก้อนน้ำแข็ง ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? มันคือทั้งหมดที่เกี่ยวกับ ความดันซึ่งถูกกระทำโดยชั้นน้ำด้านบน

โดยทั่วไปความดันจะช่วยให้ของเหลวต่างๆ แข็งตัวได้ มันทำให้ปริมาตรของร่างกายลดลงซึ่งอำนวยความสะดวกอย่างมากในการเปลี่ยนไปสู่สถานะของแข็ง แต่เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ปริมาณจะไม่ลดลง แต่กลับเพิ่มขึ้น จึงมีแรงดันป้องกันการขยายตัวของน้ำ ลดจุดเยือกแข็งลง.

นั่นคือทั้งหมดที่ฉันสามารถบอกคุณเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่น่าสนใจนี้ ฉันหวังว่าคุณจะได้เรียนรู้สิ่งใหม่ ขอให้โชคดีในการเดินทางของคุณ!

เราไม่แปลกใจเลยกับก้อนน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในช่วงต้นฤดูใบไม้ผลิ เมื่ออ่างเก็บน้ำเริ่มหลุดออกจาก “เสื้อผ้า” ในฤดูหนาว และเผยให้เห็นความงามต่อสายตาของมนุษย์ น้ำจืด. เราคุ้นเคยกับมันมาก ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เราไม่ได้คิดและไม่ถามตัวเองว่าทำไมน้ำแข็งถึงไม่ละลาย? และถ้าคุณลองคิดดูแล้ว คุณจะจำตัวอย่างที่ของแข็ง เช่น น้ำแข็ง ลอยอยู่ในของเหลวไม่ได้ทันทีที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย คุณสามารถละลายพาราฟินหรือแว็กซ์ในภาชนะแล้วโยนชิ้นส่วนของสารเดียวกันที่อยู่ในสถานะของแข็งเท่านั้นลงในแอ่งน้ำที่เกิดขึ้น และเราเห็นอะไร? ขี้ผึ้งและพาราฟินจะจมลงในของเหลวที่เกิดจากการหลอมละลายได้อย่างปลอดภัย

ทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงในน้ำ?ความจริงก็คือน้ำในตัวอย่างนี้ถือเป็นข้อยกเว้นที่หายากมากและมีลักษณะเฉพาะโดยเนื้อแท้ ในธรรมชาติ มีเพียงโลหะและเหล็กหล่อเท่านั้นที่มีพฤติกรรมคล้ายกับแผ่นน้ำแข็งที่ลอยอยู่บนผิวน้ำ

หากน้ำแข็งหนักกว่าน้ำ มันก็จะจมลงตามน้ำหนักของมันเองอย่างแน่นอน และในเวลาเดียวกันก็ไล่น้ำที่อยู่ด้านล่างของอ่างเก็บน้ำขึ้นสู่ผิวน้ำ ผลก็คืออ่างเก็บน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็งจนถึงด้านล่างสุด! อย่างไรก็ตาม เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง สถานการณ์ที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงก็เกิดขึ้น การเปลี่ยนน้ำเป็นน้ำแข็งทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้นประมาณ 10% และขณะนี้ก็เป็นเช่นนั้น น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำนั่นเอง. ด้วยเหตุนี้น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนผิวน้ำและไม่จม สิ่งเดียวกันนี้สามารถสังเกตได้เมื่อเรือกระดาษซึ่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำหลายเท่าถูกหย่อนลงไปในน้ำ ถ้าเรือทำด้วยไม้หรือวัสดุอื่น เรือคงจมอย่างแน่นอน หากเราเปรียบเทียบตัวบ่งชี้ความหนาแน่นเป็นตัวเลข เช่น หากความหนาแน่นของน้ำเป็น 1 ความหนาแน่นของน้ำแข็งจะเท่ากับ 0.91

ควรคำนึงถึงปริมาณน้ำที่เพิ่มขึ้นในระหว่างการเปลี่ยนไปสู่น้ำแข็งด้วย ชีวิตประจำวัน. ก็เพียงพอแล้วที่จะปล่อยให้ถังเต็มไปด้วยน้ำในความเย็นและของเหลวจะแข็งตัวและทำให้ภาชนะแตก ด้วยเหตุนี้จึงไม่แนะนำให้ทิ้งน้ำไว้ในหม้อน้ำของรถยนต์ที่จอดในที่เย็น นอกจากนี้ในช่วงที่มีน้ำค้างแข็งรุนแรงคุณต้องระวังการหยุดชะงักของการจัดหาน้ำอุ่นที่ไหลผ่านท่อทำความร้อน หากมีน้ำเหลืออยู่ในท่อด้านนอกก็จะแข็งตัวทันทีซึ่งจะทำให้น้ำประปาเสียหายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ดังที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าในมหาสมุทรและท้องทะเลนั้น ความลึกมากที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ น้ำก็ยังไม่กลายเป็นน้ำแข็งและไม่กลายเป็นน้ำแข็ง บล็อกน้ำแข็ง. อธิบายได้ง่ายมาก - น้ำชั้นบนสร้างแรงกดดันมหาศาล ตัวอย่างเช่น ชั้นน้ำหนึ่งกิโลเมตรกดทับด้วยแรงบรรยากาศมากกว่าหนึ่งร้อยบรรยากาศ

หากน้ำเป็นของเหลวธรรมดาและไม่ใช่ของเหลวที่มีลักษณะเฉพาะ เราคงไม่สนุกกับการเล่นสเก็ต เราไม่ได้กลิ้งบนกระจกใช่ไหม? แต่มันนุ่มนวลและน่าดึงดูดยิ่งกว่าน้ำแข็งมาก แต่แก้วเป็นวัสดุที่รองเท้าสเก็ตจะไม่เลื่อน แต่การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็ง แม้ว่าจะไม่ได้คุณภาพดีนัก แต่การเล่นสเก็ตก็เป็นเรื่องที่น่ายินดี คุณจะถามว่าทำไม? ความจริงก็คือน้ำหนักของร่างกายเรากดบนใบมีดที่บางมากของสเก็ต ซึ่งสร้างแรงกดดันอย่างมาก น้ำแข็ง. จากแรงกดดันจากสเก็ต น้ำแข็งเริ่มละลาย ก่อตัวเป็นแผ่นน้ำบางๆ ที่สเก็ตสามารถร่อนได้อย่างสมบูรณ์แบบ

จะอธิบายกระบวนการทางกายภาพที่ซับซ้อนให้เด็กฟังได้อย่างไร?

สิ่งแรกที่นึกถึงคือความหนาแน่น ใช่แล้ว ที่จริงแล้ว น้ำแข็งลอยได้เพราะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ แต่จะอธิบายให้เด็กฟังได้อย่างไรว่าความหนาแน่นคืออะไร? ไม่มีใครจำเป็นต้องบอกหลักสูตรของโรงเรียนให้เขาฟัง แต่ก็ค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะสรุปได้ว่าน้ำแข็งง่ายกว่า ที่จริงแล้ว ปริมาณน้ำและน้ำแข็งเท่ากันก็มีน้ำหนักต่างกัน หากเราศึกษาปัญหาโดยละเอียด เราก็อาจบอกเหตุผลอื่นๆ ได้อีกหลายประการนอกเหนือจากความหนาแน่น
น้ำแข็งไม่ได้จมลงในน้ำไม่เพียงเพราะความหนาแน่นที่ลดลงทำให้ไม่จมลงเท่านั้น เหตุผลก็คือฟองอากาศเล็กๆ ถูกแช่แข็งอยู่ในน้ำแข็ง พวกเขายังลดความหนาแน่นด้วย ดังนั้นโดยทั่วไปปรากฎว่าน้ำหนักของแผ่นน้ำแข็งจะยิ่งน้อยลงไปอีก เมื่อน้ำแข็งขยายตัว มันจะไม่ใช้อากาศเข้าไปมากนัก แต่ฟองอากาศทั้งหมดที่อยู่ภายในชั้นนี้จะยังคงอยู่ที่นั่นจนกว่าน้ำแข็งจะเริ่มละลายหรือระเหิด

ทำการทดลองเรื่องแรงขยายตัวของน้ำ

แต่คุณจะพิสูจน์ได้อย่างไรว่าน้ำแข็งกำลังขยายตัวจริงๆ ท้ายที่สุดแล้ว น้ำยังสามารถขยายตัวได้ ดังนั้นสิ่งนี้จะพิสูจน์ได้อย่างไรภายใต้สภาวะเทียม? คุณสามารถทำการทดลองที่น่าสนใจและง่ายมากได้ ในการทำเช่นนี้คุณจะต้องมีถ้วยพลาสติกหรือกระดาษแข็งและน้ำ ปริมาณไม่จำเป็นต้องมาก ไม่จำเป็นต้องเติมแก้วให้เต็มแก้ว นอกจากนี้ คุณต้องมีอุณหภูมิประมาณ -8 องศาหรือต่ำกว่า หากอุณหภูมิสูงเกินไป ประสบการณ์จะคงอยู่นานเกินสมควร
เลยเทน้ำเข้าไปข้างใน ต้องรอจนน้ำแข็งก่อตัว เนื่องจากเราได้เลือกแล้ว อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดซึ่งของเหลวปริมาณเล็กน้อยจะกลายเป็นน้ำแข็งภายในสองถึงสามชั่วโมง คุณสามารถกลับบ้านและรอได้อย่างปลอดภัย คุณต้องรอจนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง หลังจากนั้นครู่หนึ่งเราจะดูผลลัพธ์ รับประกันถ้วยที่มีรูปร่างผิดปกติหรือฉีกขาดด้วยน้ำแข็ง ที่อุณหภูมิต่ำลง เอฟเฟกต์จะดูน่าประทับใจยิ่งขึ้น และการทดสอบใช้เวลาน้อยลงด้วย

ผลกระทบด้านลบ

ปรากฎว่าการทดลองง่ายๆ ยืนยันว่าก้อนน้ำแข็งขยายตัวจริงๆ เมื่ออุณหภูมิลดลง และปริมาตรของน้ำจะเพิ่มขึ้นอย่างง่ายดายเมื่อแช่แข็ง ตามกฎแล้วฟีเจอร์นี้นำปัญหามากมายมาสู่คนขี้ลืม: มีแชมเปญหนึ่งขวดทิ้งไว้ที่ระเบียงด้านล่าง ปีใหม่เป็นเวลานานแตกหักเนื่องจากการสัมผัสกับน้ำแข็ง เนื่องจากแรงขยายตัวมีขนาดใหญ่มาก จึงไม่สามารถได้รับอิทธิพลในทางใดทางหนึ่ง สำหรับการลอยตัวของก้อนน้ำแข็งนั้นไม่มีอะไรจะพิสูจน์ได้ที่นี่ คนที่อยากรู้อยากเห็นมากที่สุดสามารถทำการทดลองที่คล้ายกันในฤดูใบไม้ผลิหรือฤดูใบไม้ร่วงได้ด้วยตัวเองโดยพยายามทำให้น้ำแข็งจมลงในแอ่งน้ำขนาดใหญ่

ไม่มีใครสงสัยเลยว่าน้ำแข็งลอยอยู่บนน้ำ ทุกคนได้เห็นสิ่งนี้มาแล้วหลายร้อยครั้งทั้งในสระน้ำและในแม่น้ำ

แต่มีกี่คนที่คิดเกี่ยวกับคำถามนี้: ของแข็งทั้งหมดมีพฤติกรรมเหมือนกับน้ำแข็งหรือไม่ นั่นคือลอยอยู่ในของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อพวกมันละลาย?

ละลายพาราฟินหรือแว็กซ์ในขวดแล้วโยนของแข็งชนิดเดียวกันอีกชิ้นลงในของเหลวนี้ มันจะจมทันที สิ่งเดียวกันนี้จะเกิดขึ้นกับตะกั่ว ดีบุก และสารอื่นๆ อีกมากมาย ปรากฎว่าตามกฎแล้ว ของแข็งจมอยู่ในของเหลวที่เกิดขึ้นเมื่อละลายเสมอ

ในการจัดการกับน้ำบ่อยที่สุด เราคุ้นเคยกับปรากฏการณ์ตรงกันข้ามจนเรามักลืมคุณสมบัตินี้ ซึ่งเป็นลักษณะของสารอื่นๆ ทั้งหมด ต้องจำไว้ว่าน้ำเป็นข้อยกเว้นที่หาได้ยากในเรื่องนี้ เฉพาะบิสมัทโลหะและเหล็กหล่อเท่านั้นที่มีพฤติกรรมเหมือนกับน้ำ

หากน้ำแข็งหนักกว่าน้ำและไม่อยู่บนพื้นผิว แต่จมลง แม้แต่ในอ่างเก็บน้ำลึก น้ำก็ยังแข็งตัวในฤดูหนาว ในความเป็นจริง น้ำแข็งที่ตกลงสู่ก้นบ่อจะไล่น้ำชั้นล่างขึ้นไป และสิ่งนี้จะเกิดขึ้นจนกว่าน้ำทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง

อย่างไรก็ตาม เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง สิ่งตรงกันข้ามจะเกิดขึ้น ทันทีที่น้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ปริมาตรของน้ำก็เพิ่มขึ้นประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ ทำให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมมันจึงลอยอยู่ในน้ำได้ เช่นเดียวกับวัตถุใดๆ ลอยอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นสูง เช่น ตะปูเหล็กในปรอท ไม้ก๊อกในน้ำมัน ฯลฯ ถ้าเราถือว่าความหนาแน่นของน้ำเท่ากับความสามัคคี ความหนาแน่นของน้ำ น้ำแข็งจะอยู่ที่ 0.91 เท่านั้น ตัวเลขนี้ช่วยให้เราทราบความหนาของน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในน้ำได้ หากความสูงของน้ำแข็งลอยอยู่เหนือน้ำ เช่น 2 เซนติเมตร เราก็สรุปได้ว่าชั้นน้ำแข็งใต้น้ำมีความหนากว่า 9 เท่า ซึ่งเท่ากับ 18 เซนติเมตร และน้ำแข็งทั้งหมดมีความหนา 20 เซนติเมตร หนาเป็นเซนติเมตร

ในทะเลและมหาสมุทรบางครั้งมีภูเขาน้ำแข็งขนาดใหญ่ - ภูเขาน้ำแข็ง (รูปที่ 4) เหล่านี้เป็นธารน้ำแข็งที่เลื่อนลงมาจากภูเขาขั้วโลกและถูกกระแสน้ำและลมพัดพาลงสู่ทะเลเปิด ความสูงสามารถสูงถึง 200 เมตรและปริมาตรสามารถสูงถึงหลายล้านลูกบาศก์เมตร เก้าในสิบของมวลรวมของภูเขาน้ำแข็งถูกซ่อนอยู่ใต้น้ำ ดังนั้นการพบเขาจึงเป็นอันตรายมาก หากเรือไม่สังเกตเห็นยักษ์น้ำแข็งที่กำลังเคลื่อนที่ทันเวลา เรืออาจได้รับความเสียหายร้ายแรงหรือแม้กระทั่งเสียชีวิตจากการชนกัน

ปริมาตรที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันระหว่างการเปลี่ยนน้ำของเหลวเป็นน้ำแข็งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญของน้ำ บ่อยครั้งต้องคำนึงถึงคุณลักษณะนี้ในชีวิตจริงด้วย ถ้าคุณทิ้งถังน้ำไว้ในน้ำเย็น น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งและถังแตก ด้วยเหตุผลเดียวกันนี้ คุณไม่ควรทิ้งน้ำไว้ในหม้อน้ำของรถที่จอดอยู่ในโรงจอดรถเย็น ในน้ำค้างแข็งรุนแรงคุณต้องระวังการหยุดชะงักเล็กน้อยในการจัดหาน้ำอุ่นผ่านท่อทำน้ำร้อน: น้ำที่หยุดอยู่ในท่อด้านนอกสามารถแข็งตัวได้อย่างรวดเร็วจากนั้นท่อจะแตก

การแช่แข็งในรอยแตกของหิน น้ำมักทำให้ภูเขาพังทลาย

ตอนนี้ให้เราพิจารณาการทดลองหนึ่งที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการขยายตัวของน้ำเมื่อถูกความร้อน การจัดเตรียมการทดลองนี้ต้องใช้อุปกรณ์พิเศษ และไม่น่าเป็นไปได้ที่ผู้อ่านคนใดจะสามารถทำซ้ำที่บ้านได้ ใช่แล้ว นี่ไม่ใช่ความจำเป็น ประสบการณ์นี้ง่ายต่อการจินตนาการและเราจะพยายามยืนยันผลลัพธ์โดยใช้ตัวอย่างที่ทุกคนคุ้นเคย

ลองใช้โลหะที่แข็งแรงมาก โดยเฉพาะกระบอกเหล็ก (รูปที่ 5) เทกระสุนลงไปที่ด้านล่าง เติมน้ำ ยึดฝาปิดด้วยสลักเกลียวแล้วเริ่มหมุนสกรู เนื่องจากน้ำบีบอัดน้อยมาก คุณจึงไม่ต้องหมุนสกรูเป็นเวลานาน หลังจากการปฏิวัติไม่กี่ครั้ง ความดันภายในกระบอกสูบก็เพิ่มขึ้นเป็นหลายร้อยบรรยากาศ หากตอนนี้คุณทำให้กระบอกสูบเย็นลงถึง 2-3 องศาต่ำกว่าศูนย์ น้ำในนั้นจะไม่แข็งตัว แต่คุณจะมั่นใจเรื่องนี้ได้อย่างไร? หากคุณเปิดกระบอกสูบที่อุณหภูมินี้และ ความดันบรรยากาศน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งทันที และเราจะไม่รู้ว่าเมื่ออยู่ภายใต้ความกดดันจะเป็นของเหลวหรือของแข็ง เม็ดโรยจะช่วยเราตรงนี้ เมื่อกระบอกสูบเย็นลง ให้พลิกกลับด้าน หากน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง กระสุนจะอยู่ที่ก้นถัง หากน้ำไม่แข็ง กระสุนจะสะสมอยู่ที่ฝา มาคลายเกลียวสกรูกัน แรงดันจะลดลงและน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งอย่างแน่นอน หลังจากถอดฝาออกแล้ว เราต้องแน่ใจว่าช็อตทั้งหมดมารวมตัวกันใกล้ฝาแล้ว ซึ่งหมายความว่าน้ำภายใต้ความกดดันไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าจุดเยือกแข็งของน้ำลดลงตามความกดดันที่เพิ่มขึ้นประมาณหนึ่งองศาต่อ 130 บรรยากาศ

หากเราเริ่มให้เหตุผลโดยอาศัยการสังเกตสารอื่นๆ มากมาย เราก็จะได้ข้อสรุปที่ตรงกันข้าม ความดันมักจะช่วยให้ของเหลวแข็งตัวได้ ภายใต้ความกดดัน ของเหลวจะแข็งตัวมากขึ้น อุณหภูมิสูงและไม่มีอะไรน่าแปลกใจที่นี่หากเราจำได้ว่าสารส่วนใหญ่จะมีปริมาตรลดลงเมื่อพวกมันแข็งตัว ความดันทำให้ปริมาตรลดลงและทำให้การเปลี่ยนของเหลวเป็นสถานะของแข็งสะดวกขึ้น เมื่อน้ำแข็งตัวดังที่เราทราบอยู่แล้วปริมาณจะไม่ลดลง แต่กลับขยายตัว ดังนั้นแรงดันที่ป้องกันการขยายตัวของน้ำจึงทำให้จุดเยือกแข็งลดลง

เป็นที่ทราบกันดีว่าในมหาสมุทรที่ระดับความลึกมาก อุณหภูมิของน้ำจะต่ำกว่าศูนย์องศา แต่น้ำที่ระดับความลึกเหล่านี้ก็ไม่กลายเป็นน้ำแข็ง สิ่งนี้อธิบายได้จากความกดดันที่เกิดจากชั้นบนของน้ำ ชั้นน้ำหนาหนึ่งกิโลเมตรกดทับด้วยแรงประมาณหนึ่งร้อยบรรยากาศ

หากน้ำเป็นของเหลวธรรมดา เราแทบจะไม่ได้สัมผัสกับความสนุกสนานในการเล่นสเก็ตบนน้ำแข็ง มันก็จะเหมือนกับการกลิ้งบนกระจกที่เรียบลื่นอย่างสมบูรณ์แบบ รองเท้าสเก็ตไม่ลื่นบนกระจก มันเป็นเรื่องที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับน้ำแข็ง การเล่นสเก็ตบนน้ำแข็งเป็นเรื่องง่ายมาก ทำไม ภายใต้น้ำหนักของร่างกายเรา ใบมีดบางของสเก็ตสร้างแรงกดดันต่อน้ำแข็งค่อนข้างแรง และน้ำแข็งใต้สเก็ตก็ละลาย เกิดฟิล์มน้ำบาง ๆ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นที่ดีเยี่ยม

ก้อนน้ำแข็งขั้วโลกและภูเขาน้ำแข็งลอยอยู่ในมหาสมุทร และแม้แต่ในเครื่องดื่ม น้ำแข็งก็ไม่เคยจมลงสู่ก้นทะเล เราสามารถสรุปได้ว่าน้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ ทำไม หากคุณลองคิดดู คำถามนี้อาจดูแปลกสักหน่อย เพราะน้ำแข็งเป็นของแข็ง และตามสัญชาตญาณแล้ว ควรหนักกว่าของเหลว แม้ว่าข้อความนี้เป็นจริงสำหรับสารส่วนใหญ่ แต่น้ำก็เป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ สิ่งที่ทำให้น้ำและน้ำแข็งแตกต่างคือพันธะไฮโดรเจน ซึ่งทำให้น้ำแข็งในสถานะของแข็งมีน้ำหนักเบากว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลว

คำถามทางวิทยาศาสตร์: ทำไมน้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ?

ลองจินตนาการว่าเราอยู่ในบทเรียนที่เรียกว่า " โลก"ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 3 “ทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงไปในน้ำ” ครูถามเด็กๆ และเด็กๆ ที่ไม่มีความรู้ฟิสิกส์อย่างลึกซึ้งก็เริ่มให้เหตุผล “บางทีนี่อาจเป็นเวทมนตร์?” - เด็กคนหนึ่งพูด

แท้จริงแล้วน้ำแข็งเป็นสิ่งที่ผิดปกติอย่างยิ่ง ในทางปฏิบัติแล้วไม่มีสารธรรมชาติอื่นใดในสถานะของแข็งที่สามารถลอยอยู่บนพื้นผิวของของเหลวได้ นี่คือหนึ่งในคุณสมบัติที่ทำให้น้ำเป็นสสารที่ผิดปกติ และจริงๆ แล้วมันคือสิ่งที่เปลี่ยนเส้นทางวิวัฒนาการของดาวเคราะห์

มีดาวเคราะห์บางดวงที่ประกอบด้วย เป็นจำนวนมากไฮโดรคาร์บอนเหลว เช่น แอมโมเนีย แต่เมื่อวัสดุนี้แข็งตัว มันก็จะจมลงด้านล่าง สาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำก็เพราะว่าเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง น้ำแข็งจะขยายตัว และในขณะเดียวกันความหนาแน่นก็ลดลง สิ่งที่น่าสนใจคือการขยายตัวของน้ำแข็งสามารถทำลายหินได้ - กระบวนการทำให้น้ำกลายเป็นน้ำแข็งนั้นผิดปกติมาก

ในทางทางวิทยาศาสตร์ กระบวนการแช่แข็งทำให้เกิดวงจรการผุกร่อนอย่างรวดเร็วและแน่นอน สารเคมีที่ปล่อยออกมาบนพื้นผิวสามารถละลายแร่ธาตุได้ โดยทั่วไป การแข็งตัวของน้ำมีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการและความเป็นไปได้ดังต่อไปนี้: คุณสมบัติทางกายภาพไม่แนะนำให้ใช้ของเหลวอื่นๆ

ความหนาแน่นของน้ำแข็งและน้ำ

ดังนั้น คำตอบสำหรับคำถามที่ว่าทำไมน้ำแข็งจึงไม่จมอยู่ในน้ำแต่ลอยอยู่บนพื้นผิวก็คือ มันมีความหนาแน่นต่ำกว่าของเหลว - แต่นี่เป็นคำตอบระดับแรก เพื่อให้เข้าใจได้ดีขึ้น คุณจำเป็นต้องรู้ว่าเหตุใดน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำ เหตุใดสิ่งต่างๆ จึงลอยได้ตั้งแต่แรก และความหนาแน่นทำให้เกิดการลอยตัวได้อย่างไร

ลองนึกถึงอัจฉริยะชาวกรีกอาร์คิมิดีสผู้ค้นพบว่าหลังจากจุ่มวัตถุบางอย่างลงในน้ำ ปริมาตรของน้ำจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนเท่ากับปริมาตรของวัตถุที่จมอยู่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากคุณวางจานลึกบนผิวน้ำแล้ววางของหนักลงไป ปริมาตรน้ำที่เทลงในจานจะเท่ากับปริมาตรของวัตถุทุกประการ ไม่สำคัญว่าวัตถุจะจมอยู่ทั้งหมดหรือบางส่วน

คุณสมบัติของน้ำ

น้ำเป็นสารมหัศจรรย์ที่ช่วยหล่อเลี้ยงชีวิตบนโลกเป็นหลัก เพราะสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องการน้ำ หนึ่งในที่สุด คุณสมบัติที่สำคัญน้ำคือมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 °C ดังนั้น, น้ำร้อนหรือน้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำเย็น สารที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะลอยไปทับสารที่มีความหนาแน่นมากกว่า

ตัวอย่างเช่น เมื่อเตรียมสลัด คุณอาจสังเกตเห็นว่ามีน้ำมันอยู่บนพื้นผิวของน้ำส้มสายชู ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยความจริงที่ว่ามันมีความหนาแน่นน้อยกว่า กฎหมายเดียวกันนี้ใช้อธิบายได้ว่าทำไมน้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ แต่จมอยู่ในน้ำมันเบนซินและน้ำมันก๊าด เพียงแต่ว่าสารทั้งสองนี้มีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำแข็ง ดังนั้น หากคุณโยนลูกบอลเป่าลมลงในสระ มันจะลอยอยู่บนผิวน้ำ แต่ถ้าคุณโยนก้อนหินลงไปในน้ำ มันจะจมลงสู่ก้นสระ

การเปลี่ยนแปลงอะไรเกิดขึ้นกับน้ำเมื่อมันกลายเป็นน้ำแข็ง?

สาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำก็เนื่องมาจากพันธะไฮโดรเจน ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงเมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ดังที่คุณทราบ น้ำประกอบด้วยออกซิเจน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอม พวกมันถูกยึดด้วยพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งอย่างไม่น่าเชื่อ อย่างไรก็ตาม พันธะอีกประเภทหนึ่งที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลที่แตกต่างกันเรียกว่าพันธะไฮโดรเจนนั้นมีความอ่อนกว่า พันธะเหล่านี้ก่อตัวขึ้นเนื่องจากอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวกถูกดึงดูดเข้ากับอะตอมออกซิเจนที่มีประจุลบของโมเลกุลน้ำที่อยู่ใกล้เคียง

เมื่อน้ำอุ่น โมเลกุลจะมีความว่องไวมาก เคลื่อนที่ไปมามาก และก่อตัวและสลายพันธะกับโมเลกุลของน้ำอื่นๆ อย่างรวดเร็ว พวกเขามีพลังที่จะได้ใกล้ชิดกันและเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว แล้วทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมลงในน้ำล่ะ? เคมีซ่อนคำตอบไว้

ฟิสิกส์-เคมีของน้ำแข็ง

เมื่ออุณหภูมิของน้ำลดลงต่ำกว่า 4°C พลังงานจลน์ของของเหลวจะลดลง ดังนั้นโมเลกุลจึงไม่เคลื่อนที่อีกต่อไป พวกมันไม่มีพลังงานที่จะเคลื่อนที่และแตกตัวและก่อตัวเป็นพันธะได้ง่ายเหมือนที่อุณหภูมิสูง แต่พวกมันกลับสร้างพันธะไฮโดรเจนกับโมเลกุลของน้ำอื่น ๆ มากขึ้นเพื่อสร้างโครงสร้างขัดแตะหกเหลี่ยม

พวกมันสร้างโครงสร้างเหล่านี้เพื่อป้องกันไม่ให้โมเลกุลออกซิเจนที่มีประจุลบอยู่ห่างจากกัน ตรงกลางรูปหกเหลี่ยมที่เกิดขึ้นจากกิจกรรมของโมเลกุลมีความว่างเปล่ามากมาย

น้ำแข็งจมอยู่ในน้ำ - เหตุผล

น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำของเหลวถึง 9% ดังนั้นน้ำแข็งจึงใช้พื้นที่มากกว่าน้ำ ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้สมเหตุสมผลเพราะน้ำแข็งขยายตัว ด้วยเหตุนี้จึงไม่แนะนำให้แช่แข็งขวดแก้ว น้ำที่แช่แข็งสามารถสร้างรอยแตกขนาดใหญ่ได้แม้ในคอนกรีต ถ้าคุณมี ขวดลิตรน้ำแข็งและน้ำขวดหนึ่งลิตรจากนั้นก็ขวดด้วย น้ำแข็งมันจะง่ายขึ้น ณ จุดนี้โมเลกุลจะอยู่ห่างกันมากกว่าตอนที่สารอยู่ในสถานะของเหลว นี่คือสาเหตุที่น้ำแข็งไม่จมอยู่ในน้ำ

เมื่อน้ำแข็งละลาย โครงสร้างผลึกที่เสถียรจะแตกตัวและมีความหนาแน่นมากขึ้น เมื่อน้ำอุ่นถึง 4°C จะได้รับพลังงานและโมเลกุลจะเคลื่อนที่เร็วขึ้นและไกลออกไป นี่คือเหตุผลว่าทำไมน้ำร้อนจึงใช้พื้นที่มากกว่าน้ำเย็นและลอยอยู่เหนือน้ำเย็น - มีความหนาแน่นน้อยกว่า โปรดจำไว้ว่า เมื่อคุณอยู่บนทะเลสาบ ขณะว่ายน้ำ น้ำชั้นบนสุดจะสบายและอบอุ่นเสมอ แต่เมื่อคุณวางเท้าลึกลงไป คุณจะรู้สึกถึงความเย็นที่ชั้นล่าง

ความสำคัญของกระบวนการแช่แข็งน้ำในการทำงานของดาวเคราะห์

แม้ว่าคำถามที่ว่า “ทำไมน้ำแข็งถึงไม่จมอยู่ในน้ำ?” สำหรับชั้นประถมศึกษาปีที่ 3 เป็นสิ่งสำคัญมากที่จะต้องเข้าใจว่าเหตุใดกระบวนการนี้จึงเกิดขึ้นและมีความหมายต่อโลกอย่างไร ดังนั้นการลอยตัวของน้ำแข็งจึงส่งผลสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก ทะเลสาบจะแข็งตัวในที่เย็นในช่วงฤดูหนาว ทำให้ปลาและสัตว์น้ำอื่นๆ อยู่รอดได้ภายใต้ผ้าห่มน้ำแข็ง หากก้นทะเลสาบกลายเป็นน้ำแข็ง มีความเป็นไปได้สูงที่ทะเลสาบทั้งหมดจะกลายเป็นน้ำแข็ง

ภายใต้เงื่อนไขเช่นนี้ ไม่มีสิ่งมีชีวิตใดจะมีชีวิตอยู่ได้

หากความหนาแน่นของน้ำแข็งสูงกว่าความหนาแน่นของน้ำ น้ำแข็งในมหาสมุทรก็จะจมลง และแผ่นน้ำแข็งซึ่งในกรณีนี้จะอยู่ด้านล่าง จะไม่อนุญาตให้ใครอาศัยอยู่ที่นั่น ก้นมหาสมุทรจะเต็มไปด้วยน้ำแข็ง - และมันจะกลายเป็นอะไร? เหนือสิ่งอื่นใด น้ำแข็งขั้วโลกมีความสำคัญเนื่องจากสะท้อนแสงและป้องกันไม่ให้โลกร้อนเกินไป