Вы когда-нибудь замораживали бутылку с водой — и наутро обнаруживали, что она лопнула? Или видели, как кубики льда всплывают в стакане с водой? Всё это — следствие одного удивительного свойства воды: при замерзании она расширяется. Сегодня мы разберём, как изменится уровень воды в ёмкости, если её заморозить, почему это происходит, и при каких условиях вода переполнит сосуд или, наоборот, опустится.
Шаг 1. Главное свойство воды: аномалия плотности
Большинство веществ при переходе из жидкого состояния в твёрдое сжимаются (плотность растёт).
Но вода — исключение:
- При охлаждении от 100 °C до 4 °C вода сжимается,
- При 4 °C плотность воды максимальна (ρ ≈ 1000 кг/м³),
- При дальнейшем охлаждении до 0 °C и замерзании — расширяется.
Плотность льда при 0 °C: ρ_лёд ≈ 917 кг/м³.
→ Лёд менее плотный, чем вода, поэтому всплывает.
Шаг 2. Как изменится уровень в закрытой ёмкости?
Если ёмкость герметичная и жёсткая (например, стальная бочка):
- Объём фиксирован,
- При замерзании вода пытается расшириться,
- Но не может — создаётся огромное давление (до сотен атмосфер),
- В результате ёмкость может деформироваться или разрушиться (лопнуть бутылка).
Уровень как таковой не меняется (объём постоянен), но давление резко растёт.
Шаг 3. Как изменится уровень в открытой ёмкости?
Если ёмкость открытая сверху (стакан, ведро, озеро):
- Вода может свободно расширяться вверх,
- Поскольку масса сохраняется, а плотность уменьшается, объём увеличивается.
Рассчитаем, на сколько:
Пусть масса воды m = 1 кг.
- Объём воды: V_вода = m / ρ_вода = 1 / 1000 = 0.001 м³ = 1000 см³,
- Объём льда: V_лёд = m / ρ_лёд = 1 / 917 ≈ 0.001091 м³ ≈ 1091 см³.
→ Объём увеличивается примерно на 9.1%.
Следовательно, уровень воды в открытой ёмкости поднимется после замерзания.
Если ёмкость была заполнена доверху, лёд выпирает над краем — стакан «переполняется».
Шаг 4. Почему лёд всплывает?
По закону Архимеда:
- Тело плавает, если его плотность меньше плотности жидкости,
- ρ_лёд = 917 кг/м³ < ρ_вода = 1000 кг/м³ → лёд плавает,
- При этом примерно 91.7% объёма льда погружено, 8.3% — над водой.
Шаг 5. Важное уточнение: если в воде уже есть лёд
Если в стакане уже плавает лёд, и вы замораживаете всю воду, то:
- Уровень всё равно поднимется, потому что весь объём превращается в менее плотный лёд.
Но если только плавающий лёд тает — уровень не меняется (классическая задача). Здесь же — вся вода замерзает, поэтому объём растёт.
Шаг 6. Практические последствия
- Не заполняйте бутылки с водой до краёв перед заморозкой — они лопнут!
- Водопроводные трубы зимой промерзают и рвутся — из-за расширения воды.
- В природе: лёд на поверхности озёр изолирует воду снизу, позволяя рыбам выжить.
Шаг 7. Ответ на вопрос
Как изменится уровень воды в ёмкости, если её заморозить?
- В открытой ёмкости — уровень повысится (примерно на 9%),
- В закрытой жёсткой ёмкости — уровень не изменится, но возникнет высокое давление, способное разрушить сосуд.
Это свойство воды — один из ключей к жизни на Земле. Без него озёра промерзали бы до дна, а трубы лопались бы каждую зиму ещё чаще. А теперь представьте: вы ставите стакан с водой в морозилку и думаете: «Если налить 92 мл, при замерзании будет ровно 100 мл — идеально!» Друг спрашивает: «Ты что, с водой ведёшь учёт расширения?» — а вы отвечаете: «Нет, просто знаю, что V_лёд = V_воды / 0.917». Он смотрит на стакан… и решает не пить из него, пока вы рядом. Вдруг вы начнёте считать молекулы?