ПОЧЕМУ ЛЁД СКОЛЬЗКИЙ?





ПОЧЕМУ ЛЁД СКОЛЬЗКИЙ?


Узнать, почему можно скользить по льду, учёные пытаются в течение последних 150 лет. В 1849 году братья Джеймс и Вильям Томсон (лорд Кельвин) выдвинули гипотезу, согласно которой лёд под нами плавится потому, что мы на него давим. И поэтому мы скользим уже не по льду, а по образовавшейся плёнке воды на его поверхности.

Действительно, если увеличить давление, то температура плавления льда понизится. Происходит это вот почему. Известно, что плотность льда меньше, чем воды, и поэтому, когда лёд сжимают, он, пытаясь уменьшить деформацию, вызванную ростом давления, понижает температуру плавления. Это одно из проявлений, так называемого, принципа Ле Шателье – «Внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия».

Однако, как показали эксперименты (см. рисунок сверху), чтобы понизить температуру плавления льда на один градус необходимо давление увеличить до 121 атмосфер (12,2 МПа). Попробуем посчитать, какое давление оказывает спортсмен на лёд, когда скользит по нему на одном коньке длиной 20 см и толщиной 0,3 см. Если считать, что масса спортсмена 75 кг, то его давление на лёд составит около 12 атмосфер. Таким образом, стоя на коньках, мы едва ли сможем понизить температуру плавления льда больше, чем на 0,1 оС. Значит, объяснить скольжение по льду в коньках и, тем более, в обычной обуви, опираясь на принцип Ле Шателье, невозможно, если за окном, например, -10 оС.

  Сколько существует видов (фаз) льда?
Фаза Характеристики
Аморфный лёд Аморфный лёд не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).
Лёд Ih Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic.
Лёд Ic Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза.
Его получают при температуре в диапазоне от -133 °C до -123 °C, он остаётся устойчивым до -73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.
Лёд II Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от -83 °C до -63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.
Лёд III Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до -23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.
Лёд IV Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки.
Лёд V Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлаждении воды до -20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.
Лёд VI Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлаждении воды до -3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.
Лёд VII Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки. Это тугоплавкий лёд: при давлении 40 000 атм. он плавится при температуре +175 °С, при давлении 20 ГПа (200 тыс. атм.)  лёд VII плавится при температуре 400°С.
Лёд VIII Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.
Лёд IX Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от -65 °C до -108 °C, стабилен при температуре ниже -133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.
Лёд X Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.
Лёд XI Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.
Лёд XII Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от -196 °C до примерно -90 °C и при давлении 810 МПа.
Лёд XIII Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже -143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XIV Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже -155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.
Лёд XV Разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до -143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа.
  Новые исследования формирования водяного льда на ровной поверхности меди при температурах от -173 °C до -133 °C показали, что сначала на поверхности возникают цепочки молекул шириной около 1 нм не гексагональной, а пентагональной структуры.
  Вымышленный лёд-девять —  материал, описанный писателем-фантастом Куртом Воннегутом в романе «Колыбель для кошки» — полиморфическая модификация воды, более стойкая, чем обычный лёд (тающий при температуре 0 градусов Цельсия). Тает при температуре 114,4 °F (~45,8 °C), а при контакте с более холодной жидкой водой ведёт себя как центр кристаллизации для соприкасающейся с ним воды, которая быстро затвердевает и тоже превращается в лёд-девять. Таким образом, попав в любой водоём, так или иначе сообщающийся с Мировым океаном (посредством ручьёв, болот, рек, подземных источников и прочего) лёд-девять мог вызывать кристаллизацию большей части воды на Земле и впоследствии — гибель жизни на планете. Воннегут придумал это вещество во время работы в General Electric. Когда он писал этот роман, было известно всего восемь кристаллических модификаций льда.
  Поскольку в природе существуют различные изотопы водорода и кислорода, то существуют и различные виды воды (соответственно и льда). Формально возможных «вод» с учётом всех известных изотопов водорода (7) и кислорода (17) существует 476. Однако распад почти всех радиоактивных изотопов водорода и кислорода происходит за секунды или доли секунды (важным исключением является тритий, период полураспада которого более 12 лет). Поэтому имеет смысл говорить о 9 стабильных не радиоактивных модификациях воды и о 9 слаборадиоактивных. Тяжёлая вода D2O превращается в лёд при +3,81 °C, а кипит при 101,43 °C. Сверхтяжёлая слаборадиоактивная вода T2O замерзает при +9 °C, а кипит при 104 °C.


В 1939 году, когда стало ясно, что понижением температуры плавления скользкость льда не объяснить, Ф.Бауден (Bowden) и Т.Хьюз (Hughes) предположили, что тепло, необходимое для плавления льда под коньком, даёт сила трения. Однако эта теория не могла объяснить, почему так тяжело бывает даже стоять на льду, не двигаясь. С начала 1950-х годов учёные стали считать, что лёд скользкий из-за тонкой плёнки воды, образовавшейся на его поверхности в силу каких-то неизвестных причин. Это вытекало из опытов, в которых изучали силу, необходимую для того, чтобы рассоединить касающиеся друг друга ледяные шарики. Оказалось, чем ниже температура, тем меньше сила нужна для этого (см. рисунок внизу). Значит, на поверхности шариков есть плёнка жидкости, толщина которой увеличивается с температурой, когда она ещё гораздо ниже температуры плавления. Кстати, так полагал и М. Фарадей ещё в 1859 году, не имея на то никаких оснований.

Только в конце 1990-х годов изучение того, как рассеивает лёд протоны, рентгеновские лучи, а также исследования с помощью AFM микроскопии показали, что его поверхность не является упорядоченной кристаллической структурой, а скорее похожа на жидкость (см. рис. внизу). К такому же результату пришли и те, кто изучал поверхность льда с помощью ЯМР. Оказалось, что молекулы воды в поверхностных слоях льда способны вращаться с частотами в 100 000 раз большими, чем те же молекулы, но в глубине кристалла. Значит, на поверхности молекулы воды уже не находятся в кристаллической решётке. 


 

Схематическое изображение кристалла льда в его глубине (низ) и на его поверхности.

Расположенные на поверхности льда молекулы воды находятся в особых условиях, т.к. силы, заставляющие их находиться в узлах гексагональной решётки, действуют на них только снизу. Поэтому поверхностным молекулам ничего не стоит «уклониться от советов» молекул, находящихся в решётке, и если это происходит, то к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв молекул воды. В результате, на поверхности льда образуется плёнка жидкости, служащая хорошей смазкой при скольжении. Кстати, тонкие плёнки жидкости образуются не только на поверхности льда, но и у некоторых других кристаллов, например, свинца.

Толщина жидкой плёнки растёт с ростом температуры, так как более высокая тепловая энергия молекул вырывает из гексагональных решёток больше поверхностных слоёв. По некоторым данным толщина водной плёнки на поверхности льда, равная при -5 градусах 100 нм, при -35 градусах уменьшается в десять раз - до 10 нм, а при -170 градусах она состоит вообще из одного слоя молекул. Так, жители Арктики рассказывают, что тащить по льду сани при очень низких температурах то же, что тащить их по песку (ведь смазки в этом случае мало).

Наличие примесей (молекул, отличных от воды) тоже мешает поверхностным слоям образовывать кристаллические решётки. Поэтому увеличить толщину жидкой плёнки можно, растворив в ней какие либо примеси, например, обычную соль. Этим и пользуются коммунальные службы, когда борются зимой с обледенением дорог и тротуаров.

Из книги К.Ю. Богданова "Прогулки с физикой".

Константин Богданов, Земля (Sol III).

Итак, лёд скользкий именно потому, что его молекулярная природа предусматривает наличие тонкой плёнки воды на поверхности, которая играет роль смазки. С понижением температуры лёд теряет своё “скользкое” свойство.


По материалам: nauka.izvestia.ru, popularly.ru, wikipedia.org

Читайте также:

Постоянный адрес статьи: http://www.wwintspace.net/index.php?mod=news&act=show&id=304



Опубликовать

Проголосовать за статью:
 
23.01.11 22:21 by siteman



© СОЕДИНЯЮЩИЙ МИРЫ (http://wwintspace.net/)