Ledas: kas tai, užšalimo temperatūra 0 °C ir kaip susidaro
Sužinokite, kas yra ledas, kodėl jo užšalimo temperatūra 0 °C ir kaip jis susidaro namų šaldiklyje — praktiški patarimai ir paaiškinimai.
Ledas yra bendras užšalusio vandens pavadinimas. Kiti skysčiai, pavyzdžiui, amoniakas, metanas ar pienas, užšaldžius gali būti vadinami ledu, tačiau dažnai nurodoma ir skysčio kilmė (pvz., „pieno ledas“). Skystas vanduo tampa kietu ledu, kai temperatūra nukrinta iki pakankamai žemo lygio ir molekulės sudaro standžią struktūrą. Ledo užšalimo temperatūra esant atmosferos slėgiui yra 0 °C (32 °F pagal Farenheitą arba 273,15 kelvinai).
Kaip susidaro ledas
Užšalimo procesas yra fazės pokytis: vanduo praranda šilumą, molekulės sulėtėja ir ima formuotis reguliari, kristalinė struktūra. Įprastinis žemės paviršiuje susidaręs led yra hexagoninės struktūros (vadinamas ledu Ih). Užšalimo metu išsiskiria ištirpimo (liomatio) šiluma (vadinama latentine šiluma): viena kilogramui vandens ištirpus arba užšalus tenkantis šilumos kiekis yra maždaug 334 kJ.
Ledo savybės
- Tankis ir plūdrumas: Ledo tankis yra mažesnis už skysto vandens, todėl ledas plūduriuoja. Todėl ežeriai ir upės užšąla iš viršaus žemyn, o po ledu lieka skystas vanduo – tai svarbu gyvybei žiemą.
- Kristalizacija ir skaidrumas: Greitai užšaldant ar esant daug oro burbuliukų bei ištirpusių mineralų, susidarys drumstas, balkšvas led. Naudojant išgrynintą arba užvirintą vandenį ir šaldant lėtai vienu kryptimi, galima gauti skaidresnius ledo gabalėlius.
- Šalčio poveikis: Ledo paviršius yra slidus ir gali sukelti paslydimus; ilgas buvimas šaltyje be apsaugos sukelia hipotermiją ar nušalimus.
Veiksniai, keičiantys užšalimo temperatūrą
Normalioje atmosferoje vandens užšalimo temperatūra yra 0 °C, tačiau ji gali keistis priklausomai nuo sąlygų:
- Priemaišos / tirpūs junginiai: Druska ir kitos tirpios medžiagos sumažina užšalimo temperatūrą (tai vadinama užšalimo taško žemėjimu) – todėl keliams užbarstyta druska padeda ištirpdyti ledą.
- Slėgis: Padidintas slėgis kiek sumažina ledo lydimosi temperatūrą; esant labai aukštam slėgiui gali susidaryti kitos ledo fazės (kitokios kristalinės struktūros) su skirtingomis savybėmis.
- Superšaldymas: Grynas vanduo gali trumpam atvėsti žemiau 0 °C be užšalimo, jei trūksta kristalizacijos centrų („nucleus“). Mažiausias sutrikdymas ar mechaninis judesys gali sukelti staigią kristalizaciją.
Kaip gaminamas led namuose
Ledas paprastai gaminamas namų šaldytuve arba šaldiklyje. Į šaldiklį įdėjus indų su vandeniu ir palikus juos pakankamai ilgai, vanduo atiduoda šilumą ir užšąla. Keletas praktinių patarimų:
- Vandens užpylimas į indą iš metalo (pvz., varinis) gali paskatinti greitesnį aušinimą, nes metalai yra geri šilumos laidininkai. Todėl vanduo gali užšalti greičiau nei plastikiniame ledo inde.
- Skaidesniam ir skaidresniam ledui: naudokite išgrynintą (distiliuotą) arba užvirintą vandenį; užvirinimas pašalina dalį oro. Lėtas užšalimasis iš vienos pusės (directional freezing) taip pat padeda išstumti ore ir priemaišas.
- Saugokite indus uždengtus, kad ledas neprisigertų pašalinių kvapų iš šaldytuvo.
Panaudojimas ir reikšmė
Ledas turi plačią panaudojimo sritį: maisto ir gėrimų atšaldymui, šaldymo ir maisto konservavimui, medicinoje (traumos, kompresai), sporte (čiuožimas, ledo ritulys), o gamtinėje aplinkoje ledas formuoja ledynus, sniego dangą ir sustiprina klimato bei vandens režimą. Kelių priežiūroje druskos ir chemikalai naudojami ledui tirpdyti arba užšalimo prevencijai.
Saugos pastabos
Ledas gali būti pavojingas: slidūs paviršiai kelia traumų riziką, plonas ledas ant vandens telkinių kelią grėsmes (nemėginti vaikščioti, kol nepatikrintas ledo storis), o ilgalaikis kontaktas su šalčiu sukelia riziką sveikatai. Visada laikykitės saugos taisyklių būdami šaltyje.
Ledas krepšyje
Ledo kristalai ant stiklo
Kaip susidaro ledas
Skirtingai nei kiti skysčiai, vanduo užšaldamas plečiasi ir tampa ledu, todėl ledas plūduriuoja ant vandens, nes jo tankis mažesnis nei vandens. Tai labai neįprasta - beveik visi kiti skysčiai šaldami tampa tankesni; tačiau vandens ledas yra svarbi išimtis. Skystas vanduo, tapęs ledu, išsiplečia maždaug 9 % - jis užima daugiau vietos. Taip yra todėl, kad vandens molekulės iš tikrųjų yra toliau viena nuo kitos, o ne arčiau viena kitos. Ledo kristale molekulės išsidėsčiusios taip, kad jo tankis yra mažesnis nei skysto vandens.Užšalus vandentiekio vamzdyne esančiam vandeniui, gali trūkti vandentiekio vamzdis. Stiklo buteliuose esantis vanduo užšalus gali sprogti. Uolienų plyšiuose užšalęs vanduo gali išsiplėsti tiek, kad suskiltų kietos uolienos; tai svarbus geologinis atmosferos poveikio procesas, dėl kurio kalnai gali nusidėvėti, o uolienos virsti dirvožemiu.
Kai medžiagos atšaldomos, jų molekulės mažiau vibruoja ir susiglaudžia. Kai dauguma medžiagų pasiekia temperatūrą, vadinamą užšalimo tašku, molekulės susidaro į kristalinę kietąją medžiagą, nors kai kurios medžiagos (pvz., stiklas ir derva) visai nesikristalizuoja, o susidaro itin standūs skysčiai, kurie atrodo kieti. Tik helis neužšąla; visos kitos medžiagos užšąla, jei yra pakankamai šaltos, tačiau skysčiai, pavyzdžiui, maistinis aliejus, antifrizas, benzinas, azotas ir kt. užšąla tokioje temperatūroje, kurios dauguma žmonių nepatiria.
Sūrus vanduo
Sūriam vandeniui užšalti reikia žemesnės temperatūros nei grynam vandeniui. Susidariusiame lede druskos yra daug mažiau nei sūriame vandenyje, iš kurio jis susidarė. Šis faktas kartais naudojamas gėlinimui. Sūrus ledas nėra toks stiprus kaip užšaldytas grynas vanduo. Panašiai druskos užbarstymas ant ledo jį ištirpdo, jei jis nėra per šaltas: druska palaipsniui suyra į ledą, sudarydama sūrymą, kuris tokioje temperatūroje neužšąla.
Geografinės ledo vietos
Kadangi ledas plūduriuoja, net dideli užšąlantys vandens telkiniai, pavyzdžiui, kai kurie vandenynai, sudaro ledą tik paviršiuje. Dauguma ežerų niekada neužšąla iki dugno. Net šalčiausi vandenynai, pavyzdžiui, Arkties vandenynas, užšąla tik viršuje, o apačioje cirkuliuoja skystas vandenynas. Dėl šios priežasties Žemės vandenynai geba perskirstyti šilumą, o Žemės klimatas pasižymi mažesniais karščio ir šalčio kraštutinumais nei kitu atveju. Jei ledas ne plūduriuotų, o nuskęstų, vandenynai užsipildytų ledu iš apačios, liktų kieti ir tik dalis viršaus atitirptų. Kietame vandenyne necirkuliuotų šiluma. Tačiau kadangi ledas plūduriuoja paviršiuje, po juo esantis vanduo gali toliau cirkuliuoti, o paviršiuje esantis ledas lieka atviras ir, pakilus temperatūrai, lengvai tirpsta.Dideli ledo masyvai sausumoje vadinami ledynais. Antarktidoje yra didžioji dalis pasaulio ledo.
Ledynmečiai
Klimato kaita vyksta nuolat. Kai būna labai šalta, tai vadinama ledynmečiu. Ledynmečių metu labai didelius žemės plotus dengia ledas, sniegas ir ledynai. Ledynmečių priežastys yra sudėtingos arba sunkiai suprantamos. Šiuo metu visuotinis atšilimas daro įtaką Žemės ledo ištekliams, o jo priežastys taip pat labai sudėtingos.
Sausas ledas
Taip pat yra "sausasis ledas" - tai užšaldytas anglies dioksidas. Sausas ledas, veikiamas įprasto oro, išskiria anglies dioksido dujas, kurios yra bekvapės ir bespalvės. Šios dujos yra tokios šaltos, kad susimaišiusios su oru jos atšaldo ore esančius vandens garus iki rūko, kuris atrodo kaip tiršti balti dūmai. Jis dažnai naudojamas teatre, norint sukurti netikrą rūką ar dūmus.
Sausas ledas, įdėtas į vandenį
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra ledas?
A: Ledas yra bendras užšalusio vandens pavadinimas.
K: Ar kiti skysčiai gali būti vadinami ledu?
A: Taip, užšaldžius kitus skysčius, pavyzdžiui, amoniaką, metaną ar pieną, galima vadinti ledu, tačiau paprastai jie vadinami specifiniais pavadinimais, pavyzdžiui, "pieno ledas".
K: Kada skystas vanduo virsta kietu ledu?
A: Skystas vanduo tampa kietu ledu, kai yra labai šaltas ir jo temperatūra pasiekia 0 °C užšalimo tašką.
K: Kaip namuose gaminamas ledas?
A: Ledas paprastai gaminamas namų šaldytuve arba šaldiklyje. Jei vanduo įdedamas į šaldiklį ir paliekamas kuriam laikui, vanduo labai atšąla ir užšąla, todėl susidaro ledas.
K: Ar indo medžiaga turi įtakos laikui, per kurį vanduo užšąla į ledą?
A: Taip, vandenį galima supilti į varinį (ar kitą metalinį) indą, kad jis greičiau užšaltų į ledą. Metalai gerai praleidžia šilumą, todėl vanduo gali užšalti greičiau nei plastikiniame ledo inde.
K: Kokia yra vandens užšalimo temperatūra?
A: Vandens užšalimo temperatūra yra 0 °C (32 °F arba 273 K).
Klausimas: Kodėl kai kurie skysčiai užšaldami turi skirtingus pavadinimus?
A: Kai kurie skysčiai užšaldami turi skirtingus pavadinimus, pavyzdžiui, "pieno ledas", nes jie paprastai maišomi su kitais ingredientais, kurie turi įtakos jų savybėms užšaldant.
Ieškoti