Теплопроводность воды и льда и их особенности

Теплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.

Теплопроводность воды и льда

Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.

Что такое теплопроводность

В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.

Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.

Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.

Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.

Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.

Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:

• Эта характеристика показывает количество тепла, которое в течение единицы времени при температурной разнице 1 К проходит сквозь однородный образец материала с определенной длиной и площадью.
• Международная система единиц (СИ) приводит для него такие единицы измерения — Вт/(м×град) или Вт/(м×К).

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

1. При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
2. При ее повышении он постепенно растет и, например, при температуре 20 °С составляет 0,603 Вт/(м×град).

С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.

Теплопроводность льда имеет следующие особенности:

1. Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
2. По мере уменьшения температуры показатель снижается.

Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой. Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.

Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.

Низкая теплопроводность льда

У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.

Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.

Расширение воды при замерзании

В процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.

С водой же происходит следующее:

• Она ведет себя так же, как и другие жидкости, до отметки в +4 °С, то есть сжимается.
• Дальнейшее замораживание приводит к постепенному расширению и уменьшению массы.
• Лед, который образуется при нулевой температуре, оказывается легче, чем незамерзший слой воды с плюсовой температурой.

Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.

Особенности плотности воды

Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С. В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.

Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.

Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:

1. Вначале происходит охлаждение воды до +4 °С, ее плотность возрастает, и она спускается ко дну водоема. Нижние теплые слои, соответственно, поднимаются наверх, где происходит их остывание и дальнейшее погружение вниз.
2. Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
3. Дальнейшее охлаждение верхнего слоя приводит к процессу расширения и снижения плотности воды около поверхности. Опуститься вниз она уже не способна, поэтому продолжится замерзание и кристаллизация.
4. При нулевой отметке из верхнего слоя образуется лед, а нижний слой сохранит жидкое состояние.

Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы. Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.

Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.

Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.

Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.