С наступлением холодов весьма актуальным становится вопрос о повреждении емкостей и трубопроводов расширяющейся при замерзании водой.
Увеличение объема льда относительно исходного объема воды - это сила, которую невозможно сдержать ни одним материалом. В дело вступают межатомные взаимодействия, а там значения сил там огромные. Подобным образом древние египтяне раскалывали камни для пирамид, используя капиллярный эффект. Атомное взаимодействие является настолько значительным, что камни разрывает подобно орехам! Что уж говорить про стеклянную банку или лист металла. Ведь при замерзании мы имеем те же самые силы, только с "другого ракурса".
Само по себе явление расширения при замерзании - это особый случай. Об этом мы подробно рассказывали в этой статье. Напомню, что существует группа материалов, обладающая температурной аномалией плотности. Эти материалы не уменьшаются в объеме при охлаждении, а напротив - увеличиваются. К ним относится и вода. Сначала вода охлаждается и уменьшается в объеме, но после прохождения границы в +4 градуса по Цельсию, процесс меняет знак и объем вновь увеличивается, а плотность уменьшается, пока вода не замерзнет полностью. Из этого следует запомнить одно - объем льда больше объема исходной воды! А расширение будет происходить с силой мироздания :)
Для того, чтобы уберечь трубопроводы или емкости с водой от этого неприятного явления напрашивается сделать самое простое и логичное действие - открыть крышку на банке или оставить кран открытым. Казалось бы, если воде есть куда расширяться, то сосуд не разорвет. Ведь замкнутого объема не будет. Упираться лед в стенки не будет и всё кончится хорошо.
Однако, оставив на морозе банку с водой в открытом виде мы обнаружим интересное явление. Банку всё равно раскурочит даже с открытой крышкой! Опять случилась какая-то аномальщина...Но объяснение этому есть и оно довольно простое. Нужно внимательно проанализировать весь процесс замерзания.
Давайте ответим на вопрос: откуда растет толща льда и ледяной слой? Ведь явно не от центра? Это бы противоречило всем законам логики и нашего представления о мире. Да и наблюдений хватает. Можно взять те же остатки льда, которые раскололи банку, разбить глыбу молотком и в середине её увидеть остатки воды.
Формирование ледяного слоя, как вы наверное догадываетесь, начинается от края банки или трубы и постепенно уходит в глубь этой банки. Процесс роста тут подчиняется здравой логике. Вода охлаждается быстрее у стенок и у стенок же быстрее начинает расти ледяная корка. В итоге, вода у краев уже теряет свой подвижность, а внутри эта подвижность уже бесполезна. Эффект получается аналогичный тому, что мы бы положили в банку кирпич. Соответственно, и расчёт на то, что вода примет форму сосуда, а затем кристаллизуется в нужной форме и с распределением образующегося излишнего объема в свободном пространстве не оправдывается.
Выходит, что наружный слой льда, сковывает внутри остатки жидкости и является прочной крышкой. В итоге, внутреннее пространство емкостей всё равно оказывается для льда темницей, из которой он не может выйти и всё это пространство разрывает буквально изнутри. Эффект закрытой крышки повторяется. По этой же причине не помогает открытый кран на водопроводе и трубы всё равно разрывает!
Однако, если крышку банки оставить открытой, шансы выжить у неё всё-таки есть. Гораздо чаще емкость разрывает льдом, но при удачном совпадении скорости кристаллизации, скорости дальнейшего охлаждения, направления отдачи тепла и направления роста ледяной толщи, вода всё же может начать "выливаться" и так замерзнуть.
В технологических масштабах это свойство воды - огромная проблема. Для борьбы с подобной ситуацией, как мы поняли, мало оставить краник открытым. Поэтому, на практике применяются или специальные добавки к воде, или группа технологических жидкостей, называемых антифризами. Так, в радиаторах автомобиля или в системах отопления загородных домов именно антифриз выполняет роль рабочей жидкости.
Полезная книга от меня по основам физики (механики)
------------
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала.
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----
