в чем измеряется объем льда

Лед: обычный и необычный

Лед – это вода, но в твёрдом состоянии, это одно из наиболее странных, соблазнительных и завораживающих веществ в природе. Он всегда полон противоречий и загадок, разгадать которые до конца пока не удалось никому. Лед на первый взгляд прозрачен, но способен сиять всеми цветами радуги. Он способен разрушить камень или утопить корабли, и в то же время умеет исчезать (таять) буквально в считанные секунды. Он принимает самые разнообразные и причудливые формы – от маленькой снежинки до ледников весом в миллионы тонн, которые являются одной из самых разрушительных сил природы. Известно более 15 структурных модификаций льда. Лед есть и в космосе, и на Земле. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать лёд и что нужно знать о нём и связанных с ним физических явлениях.

Человек перемещается по поверхности Земли или пешком, или при помощи наземного транспорта: автомобиль, автобус, трамвай, поезд и так далее. Самое удивительное, что определяющей силой, благодаря которой происходит движение в обоих случаях, является сила трения. Эта сила согласно закону Амонтона-Кулона равна произведению коэффициента трения на силу нормального давления, с которой ноги человека или колеса транспорта действуют на поверхность движения:

В зимнее время все дороги, как правило, покрыты снегом, а иногда наблюдается и гололед, что существенно уменьшает коэффициент трения, помогающий нам в движении. В частности, коэффициент трения шин автомобиля уменьшается практически в два раза. Это приводит к значительному уменьшению устойчивости автомобиля на дороге, что может привести к заносу. Поэтому в зимнее время при движении по заснеженной или покрытой льдом дороге необходимо использовать специальную зимнюю резину, а для усиления еще и шипованную. Аналогичная ситуация происходит при движении человека пешком. Поэтому для предотвращения непредвиденных падений рекомендуется использовать обувь с профильной и прорезиненной подошвой, а ходить лучше по дороге, посыпанной песком, который в несколько раз увеличивает силу трения.

С другой стороны, благодаря льду и снегу, которые имеют очень маленький коэффициент трения, существую такие виды спорта, как фигурное катание, хоккей, лыжные и конькобежные виды спорта, бобслей, сноуборд и т.д. Для того чтобы было хорошее скольжение, коньки должны иметь специальную форму и быть хорошо заточенными. Кроме того, высокое давление, которое оказывают коньки на лед, превращает поверхностный лед в воду, что существенно увеличивает скольжение. После того как коньки перестали давить на лед, образовавшаяся вода опять замерзает и превращается в лед. Чтобы увеличить скорость движения на лыжах, в зависимости от погоды и состояния снега, необходимо использовать специальные мази, увеличивающие скольжение на концах лыж и увеличивающие трение по центру для лучшего отталкивания.

Образование льда из воды может происходить совершенно необычно, если взять пластиковую бутылку с водой, охлажденной до 0 0 С, и с силой поставить ее на стол, то вода начнет превращаться в лед, причем это будет происходить буквально на наших глазах. Аналогичное явление будет происходить, если в сосуд с охлажденной до 0 0 С водой бросить кусок льда. Так можно быстро превратить достаточно холодную воду в лед.

Вода – единственное вещество, плотность которого в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Молекулы воды хотя и близко расположены, но слабо связаны друг с другом, связи между ними постоянно создаются и разрушаются. При охлаждении до 0 0 С связи быстро стабилизируются, создавая гексагональную решетку – ледяной кристалл, в котором молекулы воды находятся на большем расстоянии, чем в жидком состоянии. Поэтому плотность льда меньше, чем воды. Другие вещества этим свойством не обладают, что видно из следующей таблицы:

Источник

Ученые заново рассчитали объем льда на планете

Ученые представили новые оценки объема ледников во всем мире, кроме Гренландии и антарктических льдов. Их вывод: предыдущие расчеты завышали объем ледников в высокогорной Азии.

Изменение климата вызывает сокращение ледников во всем мире. Сокращение объема талых вод этих ледников также оказывает воздействие на наличие пресной воды. Нехватка талой воды может значительно ограничить водоснабжение многих рек, особенно в засушливых регионах, таких как Анды или Центральная Азия, которые зависят от этого источника воды для сельского хозяйства.

Для оценки того, как будут развиваться ледники и запасы пресной воды, которые они обеспечивают, и как изменится уровень моря, необходима обновленная информация о мировом объеме льда.

Возглавляемая ETH Zurich и Швейцарским федеральным институтом лесных, снежных и ландшафтных исследований WSL, международная команда гляциологов использовала комбинацию различных численных моделей для расчета распределения толщины льда и объема льда около 215 000 ледников по всему миру. Исследователи исключили из своих расчетов морской лед и ледники, связанные с Гренландским и Антарктическим ледовыми щитами.

Согласно данным исследования, совокупный объем льда всех рассматриваемых ледников в настоящее время составляет около 158 000 кубических километров (км3). Последняя доступная оценка датировка несколько лет назад была примерно на 18 процентов выше. Самые крупные ледниковые массы (около 75 000 км3) встречаются в Арктике и составляют почти половину глобального объема ледников. К ним относятся ледники как в канадской, так и в российской Арктике. А также на Баффиновом острове, архипелаге Новая Земля и ледники вдоль побережья Гренландии и норвежского острова Шпицберген.

Вместе с Аляской, высокогорная Азия (регион, включающий Гималаи, Тибетское плато и горы в Центральной Азии) является местом расположения самых больших ледяных масс за пределами Арктики, что составляет в общей сложности 7000 км3.

Исследование показывает, что предыдущие расчеты завышали этот объем почти на четверть. Как считают ученые, в свете этих новых расчетов мы должны предположить, что ледники в высокогорной Азии могут исчезнуть быстрее, чем мы думали до сих пор.

Ранее исследователи подсчитали, что площадь, покрытая ледниками в этом регионе, сократится вдвое к 2070-м годам. Ожидается, что это произойдет в 2060-х годах с ощутимыми последствиями для местного водоснабжения. Ледники высокогорной Азии, по сути, питают крупные реки, включая Инд, Тарим и реки, впадающие в Аральское море. От них зависят сотни миллионов людей.

Для вышеуказанных регионов и в зависимости от модели исследователи ожидают, что к концу века объемы летних талых вод будут на 24 процента ниже, чем сегодня. Эта разница тревожит. Чтобы получить более точную оценку полной протяженности, ученым понадобятся более точные измерения региональных объемов ледников.

В настоящее время для определения толщины ледникового покрова в регионе доступно лишь несколько измерений, что затрудняет лучшую калибровку модели. Основываясь на своих расчетах, исследователи пришли к выводу, что если ледники полностью растают, то, скорее всего, талая вода может вызвать повышение уровня Мирового океана на 30 сантиметров. В период с 1990 по 2010 год таяние ледников способствовало повышению уровня моря примерно на 1,5 сантиметра.

Для их анализа исследователи использовали комбинацию из пяти независимых численных моделей. В этих моделях несколько источников информации, включая контуры ледников, полученные на основе спутниковых изображений и цифровых моделей рельефа поверхности ледников, были объединены с данными о поведении потоков ледников

Это позволяет специалистам сделать вывод о пространственном распределении толщины льда. Для калибровки моделей команда использовала измерения толщины ледникового льда. Но на сегодняшний день такие измерения доступны лишь около 1000 ледников.

Источник

Что тяжелее: 1 литр воды или 1 литр льда

Соотношение объема и массы воды

Литр – это единица объема для жидких веществ. Литрами допустимо измерять также сыпучие вещества с достаточно мелкой фракцией. Для прочих твердых тел используют понятие кубический метр (дециметр, сантиметр). Определение термина и понятия литра было сформулировано Генеральной конференцией по мерам и весам в 1901 году. Определение звучит следующим образом: 1 литр – это объем одного килограмма чистой пресной воды при атмосферном давлении 760 мм ртутного столба и температуре +3,98оС. При этой температуре вода достигает наибольшей плотности.

Перейдя температурный порог в +3,98оС, плотность воды снова начинает уменьшаться, и при +8оС опять достигает тех же значений, что и при нуле.

Что тяжелее?

Если в какой-либо сосуд налить, к примеру, 1 кг воды, она будет иметь объем, равный одному литру. Если вы подвергните эту воду заморозке, то при той же массе в 1 кг, вода, замерзая, будет стремиться занять больше места в сосуде. Закрытый сосуд, ограниченный емкостью 1 кв. дм (1 литр), лед разорвет. Получается, что при одинаковой массе жидкой и замороженной воды, лед будет иметь больший объем, что нарушит первоначальное условие.

Если поставить на заморозку литровую пластиковую бутылку с 1 000 мл воды (1 литр), то в процессе отвердения из нее выльется примерно 80 мл воды. А чтобы получить 1 литр льда, достаточно заморозить 920 мл воды.

Заморозить и восстановить

Сегодня все труднее встретить чистую природную воду. Особенно в условиях города, где она, прежде чем попасть в квартиру, фильтруется, хлорируется, подвергается другим видам физической и химической обработки. Чистая вода становится дефицитом, стоимость добываемой воды из артезианских скважин растет. Однако вода, оказывается, восстанавливает свою изначальную структуру и энергетику после заморозки – она очищается. Поэтому: пейте талую воду! Не зря на нее так хорошо реагируют весной все растения и с удовольствием пьют животные.

Источник

Плотность вещества

Масса

Начнем с самого сложного — с массы. Казалось бы, это понятие мы слышим с самого детства, примерно знаем, сколько в нас килограмм, и ничего сложного здесь быть не может. На самом деле, все сложнее.

В Международном бюро мер и весов в Париже есть цилиндр массой один килограмм. Материал этого цилиндра — сплав иридия и платины. Его масса равна одному килограмму, и этот цилиндр — эталон для всего мира.

Высота этого цилиндра приблизительно равна 4 см, но чтобы его поднять, нужно приложить немалую силу. Необходимость эту силу прикладывать обуславливается инерцией тел и математически записывается через второй закон Ньютона.

Второй закон Ньютона

F = ma

В этом законе массу можно считать неким коэффициентом, который связывает ускорение и силу. Также масса важна при расчете силы тяготения. Она является мерой гравитации: именно благодаря ей тела притягиваются друг к другу.

Закон Всемирного тяготения

F = GMm/R2

M — масса первого тела (часто планеты) [кг]

m — масса второго тела [кг]

R — расстояние между телами [м]

G — гравитационная постоянная

G = 6.67 × 10-11 м3 кг-1 с-2

Когда мы встаем на весы, стрелка отклоняется. Это происходит потому, что масса Земли очень большая, и сила тяготения буквально придавливает нас к поверхности. На более легкой Луне человек весит меньше в шесть раз. Когда думаешь об этом, хочется взвешиваться исключительно на Луне🙃

Откуда берется масса

Физики убеждены, что у элементарных частиц должна быть масса. Доказано, что у электрона, например, масса есть. В противном случае они не могли бы образовать атомы и всю видимую материю.

Вселенная без массы представляла бы собой хаос из различных излучений, двигающихся со скоростью света. Не существовало бы ни галактик, ни звезд, ни планет. Здорово, что это не так, и у элементарных частиц есть масса. Только вот пока непонятно, откуда эта масса у них берется.

Мужчину на этой фотографии зовут Питер Хиггс. Ему мы обязаны за предположение, экспериментально доказанное в 2012 году, что массу всех частиц создает некий бозон.

Бозон Хиггса невозможно представить. Это точно не частица в форме шарика, как обычно рисуют электрон в учебнике. Представьте, что вы бежите по песку. Бежать ощутимо сложно, как будто бы увеличилась масса. Частицы пробираются в поле Хиггса и получают таким образом массу.

Объем тела

Объем — это физическая величина, которая показывает, сколько пространства занимает тело. Это важный навык — уметь объемы соотносить. Например, чтобы посчитать, сколько пластиковых шариков помещается в гигантский бассейн.

Например, чтобы рассчитать объем прямоугольного параллелепипеда, нам нужно перемножить три его параметра.

Формула объема параллелепипеда

V = a*b*c

А для цилиндра будет справедлива такая формула:

Формула объема цилиндра

V = S*h

S — площадь основания [м^2]

Плотность вещества

Плотность — скалярная физическая величина. Определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объёму.

Формула плотности вещества

р — плотность вещества [кг/м^3]

m — масса вещества [кг]

V — объем вещества [м^3]

Плотность зависит от температуры, агрегатного состояния вещества и внешнего давления. Обычно если давление увеличивается, то молекулы вещества утрамбовываются плотнее — следовательно, плотность больше. А рост температуры, как правило, приводит к увеличению расстояний между молекулами вещества — плотность понижается.

Ниже представлены значения плотностей для разных веществ. В дальнейшем это поможет при решении задач.

Источник

19 видов льда

Лёд взрывается, тонет в воде, проводит ток, генерирует мощное магнитное поле.

Мой друг в детстве приклеивал на капельку пластилина таракана на дно формочки для льда, заливал водой и замораживал. Потом швырял ледяные кубики с начинкой в стену и кричал «Я — Сабзиро!» А я всё время выбирал Глациуса в Killer Instinct, потому что изящный. В «Семиевии» из льда на астероиде построили реактивный двигатель и льдом же его топили. Ну и, конечно же, «Колыбель для кошки». А тем временем в реальности…

Аргоннская национальная лаборатория в 1980 придумала технологию ледяной гидросмеси (ice slurry), которая не образует ледяные наросты, не слипается, течет по трубам и в 5-7 раз эффективнее простой воды для охлаждения.

Микрокристаллы льда «ледяная кровь» хорошо проникают в маленькие кровеносные сосуды без вреда для клеткок. При остановке сердца время для спасения пострадавшего теоретически может увеличиться с 10 до 45 минут.

Д. Пайк предложил добавить в лед опилки и из этого композита (пайкерита) сделать… авианосец.

Чуток копнув, я узнал, насколько глубока ледяная кроличья нора.

Первопроходец в исследовании различных типов льда — Перси Уильямс Бриджмен, нобелевский лауреат по физике в 1946, он работал с высокими давлениями (до 10 ГПа), открыл/описал в 1912 году 5-6 видов льда.

«Правила льда»

Шесть возможных молекулярных ориентаций центральной молекулы воды в пентамере Вальрафена.

Эксперименты с величиной и скоростью изменения температуры и давления, а так же хитрости с графеном позволяют играться со структурой и ориентацией протонов, что порождает 19 экспериментально полученных и несколько теоретических видов льда.

Фазовая диаграмма и структуры льда.

Сводная таблица 19 видов льда.

Лёд 0

Теоретическая структура. Лед-0 может получиться при кристаллизации льда I_си льда I_h из переохлажденной воды.

Аморфный лёд

Фазовая диаграмма аморфных льдов и жидкой воды.

Лёд-I_aили LDA (Low-density amorphous ice)

Если жидкую воду охладить со скоростью порядка 1 000 000 К в секунду, то молекулы не успевают сформировать кристаллическую решётку и получается аморфный лед низкой плотности, («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW). Второй способ — сконденсировать водяной пар на сильно охлажденной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW).

Лёд-I_a или HDA (High-density amorphous ice)

Аморфный лёд высокой плотности можно получить сдавливая лёд «обычный» I_h при температурах ниже 140 К.

VHDA (Very-high density amorphous ice)

Аморфный лёд очень высокой плотности (2001) получают нагревом HDA до 160 К при давлении 1-2 ГПа.

Интересное видео, как лёд из одной фазы тает в другую:

Лёд I_h

Обычный гексагональный (hexagon, поэтому I_h) кристаллический лёд. Почти весь лёд на Земле относится ко льду I_h, и лишь малая часть — ко льду I_с (сubic).

Лёд I_с (1987)

Ромбовидное расположение воды во льду I_с

Лёд-I_sd

Кстати, лёд I_sd был «открыт» при наблюдении за солнечным гало во время ледяных игл/«алмазной пыли»:

Треугольная снежинка из I_sd

Лёд 2 (1900)

Получают лёд-II, сжимая лёд I_h при температурах от −83 °C до −63 °C (190—210 K) и давлении 300 МПа, или путём декомпрессии льда V при температуре −35 °C (238 K). При нагреве лёд-II преобразуется в лёд-III.

Предполагают, что «ледяные луны» например, Ганимед, могут быть изо льда-II.

Лёд 3

Можно получить при охлаждении воды до −23 °C (250 K) и давлении 300 МПа.

Лёд-III — наиболее просто получаемый и доступный для исследований лёд высокого давления. Впервые он был получен из обыкновенного льда при температуре −22 °C (температура тройной точки лёд Ih — лёд III — вода) путём повышения давления до 210 МПа

Лёд 4

Получают медленным нагревом (0,4 K/мин) аморфного льда высокой плотности от температуры 145 К при постоянном давлении 0,81 ГПа.

Лёд 5

Лёд-V производят охлаждением воды до 253 K (−20 °C) при давлении 500 МПа. Структура льда-V — самая сложная из всех фаз льда. Лёд V тает при 50 °С.

Лёд 6

Получают при охлаждении воды до −3 °C (270 K) и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. Лёд VI тает при температуре 81 ºС (355 K) при 2,216 ГПа и при температуре около 0 ºС при 0,6 ГПа.

Монокристалл льда VI

Кристаллизация воды в тетрагональный лёд VI при комнатной температуре и давлении 0.9 ГПа.

Рост кристалла при трапецеидальном давлении.

Рост кристалла при синусоидальном давлении.

Лёд 7 (1969)

Самый неупорядоченный лёд, в нем не только атомы водорода, но и атомы кислорода не упорядочены.

Можно получить из воды под давлением 3 ГПа при охлаждении до комнатной температуры. Так же получается изо льда VI при увеличении давления при комнатной температуре.

Лёд 8

Упорядоченная версия льда-VII, в котором водород зафиксирован. Получается изо льда-VII при его охлаждении ниже 5 °C.

Лёд 9 (1973)

Лёд-IX — метастабильная форма твёрдой воды при температурах ниже 140 K и давлении 200-400 МПа. Получается изо льда III при охлаждении.

Лёд 10 (1984)

Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.

Структура льда-X (слева верх) и предсказанные вариации Pbcm, Pbca, Cmcm.

Лёд 11 (1972)

Лёд-XI — это самая устойчивая конфигурация льда I_h с упорядоченной ориентацией протонов. Является сегнетоэлектриком (спонтанная поляризация, которую можно менять внешним электрическим полем).

Лёд 12 (2003)

Получается охлаждением воды до −13 °C (260 K) при давлении 0,55 ГПа. Так же лёд-XII можно получить изо льда I_h при температуре 77 K быстрым сжатием 1 ГПа/мин или нагреть аморфного льда высокой плотности до 183 К при давлении 0,8-1,6 ГПа.

Лед 13

Протонно-упорядоченная вариация льда-V. Получается при охлаждении воды до 130K при давлении 500 МПа.

Лёд 14 (2006)

Модификация льда-XII, где протоны расположены упорядоченно. Образуется при заморозке воды при температуре 118 K и давлении 1,2 ГПа.

Лед 15 (2009)

Лёд-XV — форма льда-VI с упорядоченными протонами, получается при охлаждении воды до 130 К при давлении 1 ГПа.

а) фазовая диаграмма льда с некоторыми маршрутами, используемыми для изучения упорядоченной формы льда и б) как молекула воды изменяется при переходе от неупорядоченной формы льда к упорядоченной.

Лёд 16 (2014)

Фазовая диаграмма воды, расширенная до отрицательных давлений.

Лёд 17 (2015)

Квадратный лед получается если зажать воду между двумя слоями графена (1 нанометр) при комнатной температуре (Андрей Гейм подсчитал, что давление там примерно 10 000 атмосфер). Возможно, встречается в природе в трещинах камней и почвы.

Лёд 18 (2019)

Супер-ионный лёд в четыре раза плотнее обычного льда и обладает электропроводимостью.

Лед-XVIII или суперионная вода может существовать при очень высоких давлениях 50-100 ГПа (удар лазерного импульса в ячейке с алмазными наковальнями) и температуре. Молекулы распадаются на ионы. Ионы кислорода формируют гранецентрированную кубическую решетку, а ионы водорода хаотично диффундируют внутри нее.

Фазовая диаграмма супер-ионного льда: объёмно-центрированный ионный лёд (синий), гранецентрированный/плотноупакованный (зелёный) и ионный лёд P2₁/c. Серый — кристаллический лед, жёлтый — область ионной жидкости.

Лед 19 (2021)

Различия в дифракционных картинах и строении кристаллической решетки льда-VI и льда-XIX

Если ко льду-VI применить давление от 0,88 до 2,20 гигапаскалей, то образуется лед-XV, и новый лед-XIX. Если проанализировать диэлектрическую проницаемость и нейтронную дифракцию, то придем к выводу о самостоятельности новой фазы.

Источник

• ← что нужно сделать чтобы вернуться на море
• номера в архипке с бассейном →