Sólin Sólin Rís 07:23 • sest 19:13 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 19:30 • Sest 24:19 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 01:52 • Síðdegis: 14:48 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 08:11 • Síðdegis: 21:22 í Reykjavík

Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út?

Ágúst Kvaran

Já, vatn getur frosið þótt það hafi ekki tök á að þenjast út en til þess þurfa hita- og/eða þrýstingsskilyrði að vera með mjög sérstökum hætti eins og hér verður greint frá.

Eins og alkunna er þá þenst vatn út þegar það er fryst. Þetta gerist við 0°C við staðalþrýsting sem er ein loftþyngd. Þenslan kemur til af því að vatnssameindirnar breytast frá því að vera hreyfanlegar í vökvafasa (mynd 1) í það að hafa fasta innbyrðis afstöðu sökum vetnistengja milli nærliggjandi sameinda (mynd 2). Við slíka umbreytingu myndast aukið holrými milli sameindanna. Rúmmál efnisins eykst því og eðlismassi þess, sem var áður kallaður eðlisþyngd, lækkar. Umrædd lögun íss er auðkennd sem fasaform Ih.


Mynd 1. Vökvaform vatns á sameindaskala.

Þegar umhverfisþrýstingurinn er aukinn lækkar bræðslumark íss. Aukinn þrýstingur hefur líka þau áhrif að holrýmið í ísforminu verður minna og þar af leiðandi munar minna um lækkun eðlismassans (eða rúmmálsaukninguna) við storknunina. Þannig er þessu farið frá 0°C bræðslumarki og einnar loftþyngdar þrýsting niður í um -22°C og rúmlega 2000 loftþyngdir (200 MPa). Við frekari þrýstingsaukningu við lægri hita lætur sameindalögun ísformsins undan þrýstingnum, ef þannig má að orði komast, með þeim hætti að ísinn breytist í stöðugt eðlisþyngra form með vaxandi þrýstingi (form II, III o.s.frv.; sjá mynd 3). Samtals eru þekkt um 13 mismunandi fasaform íss!


Mynd 2. Fasaform Ih fyrir ís á sameindaskala.

Lítum nú á umbreytingu efnisins frá öðrum sjónarhóli. Ef umhverfisþrýstingur íss við 0°C er aukinn úr einni loftþyngd þarf einungis litla þrýstingsaukningu til að riðla sameindalögun íssins og mynda vökvaformið. Mun meiri þrýsting þarf hins vegar til að riðla lögun íss við meiri kulda. Lætur nærri að um 145 loftþyngda þrýstingsaukningu þurfi fyrir hverja einnar gráðu kælingu þegar ís er breytt í vökva á hitabilinu frá 0°C til -22°C.


Mynd 3. Fasalínurit vatns/íss.

Athugum nú vatn á vökvaformi í föstu rúmmáli þar sem þenslu efnisins er hamlað og skoðum hvað gerist við kælingu og frystingu. Vökvinn þrýstir í fyrstu á veggi ílátsins með um einnar loftþyngdar þrýstingi. Við 0°C mun frekari þrýstingsaukning vegna ísmyndunar þegar í stað leiða til röskunar íslögunarinnar og vökvi myndast. Ísmyndun væri því ekki möguleg við slíkar aðstæður. Við meiri kælingu á bilinu 0°C til um -22°C hefst ísmyndun samfara þenslu efnisins þar til þeim þrýstingsmörkum er náð að sameindalögunin riðlast og vökvaformið myndast. Þrýstingsmörkin hækka með aukinni kælingu upp í um 2000 loftþyngdir við -22°C. Þessi mikla þrýstingsaukning á hitabilinu 0°C til -22°C er einmitt orsök frostveðrunar og bergmolnunar í náttúrunni sem alþekkt er. Þetta er einnig ástæða þess að varast ber að skilja eftir vatn í vatnleiðslum utanhúss yfir veturinn því hætta er á frostskemmdum vegna þess hve þrýstikraftur íssins getur orðið gríðarlega mikill. Fasalínuritið sýnir að vatn sem lendir í miklu frosti ásamt mótstöðu gegn þenslu getur myndað svo gífurlegan þrýsting að það getur brotið eða sprengt næstum hvað sem er.

Fyrir hitastig undir -22°C gegnir hins vegar öðru máli. Þegar þrýstingur vegna þenslu íss á forminu Ih hefur náð um og yfir 2000 lofþyngdum umbreytist upphaflegi íshamurinn í nýja hami sem hafa sífellt meiri eðlismassa og minna rúmmál, fyrst í III á bilinu frá -22°C upp í um -34°C, síðan í II fyrir lægri hita en -34°C; þá V, VI o.s.frv.; sjá mynd 3.

Af fasalínuritinu á mynd 3 má einnig lesa ýmislegt fleira skrýtið sem gerist þegar vatn breytist í ís við mikinn þrýsting. Þannig sést dæmis, ef umhverfisþrýstingur á vatni er aukinn upp í um 9000 loftþyngdir (900 MPa) við 20°C, að þá myndast ís í ham VI.

Af ofangreindu er ljóst að eiginleikar þessa efnis sem við umgöngumst og snertum á degi hverjum, vatnsins, eru margbreytilegri en margan kann að óra fyrir.

Heimildir

Myndir

Höfundur

Ágúst Kvaran

prófessor í eðlisefnafræði við HÍ

Útgáfudagur

10.1.2006

Spyrjandi

Ólafur Bjarnason

Tilvísun

Ágúst Kvaran. „Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út?“ Vísindavefurinn, 10. janúar 2006. Sótt 26. september 2020. http://visindavefur.is/svar.php?id=5552.

Ágúst Kvaran. (2006, 10. janúar). Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=5552

Ágúst Kvaran. „Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út?“ Vísindavefurinn. 10. jan. 2006. Vefsíða. 26. sep. 2020. <http://visindavefur.is/svar.php?id=5552>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út?
Já, vatn getur frosið þótt það hafi ekki tök á að þenjast út en til þess þurfa hita- og/eða þrýstingsskilyrði að vera með mjög sérstökum hætti eins og hér verður greint frá.

Eins og alkunna er þá þenst vatn út þegar það er fryst. Þetta gerist við 0°C við staðalþrýsting sem er ein loftþyngd. Þenslan kemur til af því að vatnssameindirnar breytast frá því að vera hreyfanlegar í vökvafasa (mynd 1) í það að hafa fasta innbyrðis afstöðu sökum vetnistengja milli nærliggjandi sameinda (mynd 2). Við slíka umbreytingu myndast aukið holrými milli sameindanna. Rúmmál efnisins eykst því og eðlismassi þess, sem var áður kallaður eðlisþyngd, lækkar. Umrædd lögun íss er auðkennd sem fasaform Ih.


Mynd 1. Vökvaform vatns á sameindaskala.

Þegar umhverfisþrýstingurinn er aukinn lækkar bræðslumark íss. Aukinn þrýstingur hefur líka þau áhrif að holrýmið í ísforminu verður minna og þar af leiðandi munar minna um lækkun eðlismassans (eða rúmmálsaukninguna) við storknunina. Þannig er þessu farið frá 0°C bræðslumarki og einnar loftþyngdar þrýsting niður í um -22°C og rúmlega 2000 loftþyngdir (200 MPa). Við frekari þrýstingsaukningu við lægri hita lætur sameindalögun ísformsins undan þrýstingnum, ef þannig má að orði komast, með þeim hætti að ísinn breytist í stöðugt eðlisþyngra form með vaxandi þrýstingi (form II, III o.s.frv.; sjá mynd 3). Samtals eru þekkt um 13 mismunandi fasaform íss!


Mynd 2. Fasaform Ih fyrir ís á sameindaskala.

Lítum nú á umbreytingu efnisins frá öðrum sjónarhóli. Ef umhverfisþrýstingur íss við 0°C er aukinn úr einni loftþyngd þarf einungis litla þrýstingsaukningu til að riðla sameindalögun íssins og mynda vökvaformið. Mun meiri þrýsting þarf hins vegar til að riðla lögun íss við meiri kulda. Lætur nærri að um 145 loftþyngda þrýstingsaukningu þurfi fyrir hverja einnar gráðu kælingu þegar ís er breytt í vökva á hitabilinu frá 0°C til -22°C.


Mynd 3. Fasalínurit vatns/íss.

Athugum nú vatn á vökvaformi í föstu rúmmáli þar sem þenslu efnisins er hamlað og skoðum hvað gerist við kælingu og frystingu. Vökvinn þrýstir í fyrstu á veggi ílátsins með um einnar loftþyngdar þrýstingi. Við 0°C mun frekari þrýstingsaukning vegna ísmyndunar þegar í stað leiða til röskunar íslögunarinnar og vökvi myndast. Ísmyndun væri því ekki möguleg við slíkar aðstæður. Við meiri kælingu á bilinu 0°C til um -22°C hefst ísmyndun samfara þenslu efnisins þar til þeim þrýstingsmörkum er náð að sameindalögunin riðlast og vökvaformið myndast. Þrýstingsmörkin hækka með aukinni kælingu upp í um 2000 loftþyngdir við -22°C. Þessi mikla þrýstingsaukning á hitabilinu 0°C til -22°C er einmitt orsök frostveðrunar og bergmolnunar í náttúrunni sem alþekkt er. Þetta er einnig ástæða þess að varast ber að skilja eftir vatn í vatnleiðslum utanhúss yfir veturinn því hætta er á frostskemmdum vegna þess hve þrýstikraftur íssins getur orðið gríðarlega mikill. Fasalínuritið sýnir að vatn sem lendir í miklu frosti ásamt mótstöðu gegn þenslu getur myndað svo gífurlegan þrýsting að það getur brotið eða sprengt næstum hvað sem er.

Fyrir hitastig undir -22°C gegnir hins vegar öðru máli. Þegar þrýstingur vegna þenslu íss á forminu Ih hefur náð um og yfir 2000 lofþyngdum umbreytist upphaflegi íshamurinn í nýja hami sem hafa sífellt meiri eðlismassa og minna rúmmál, fyrst í III á bilinu frá -22°C upp í um -34°C, síðan í II fyrir lægri hita en -34°C; þá V, VI o.s.frv.; sjá mynd 3.

Af fasalínuritinu á mynd 3 má einnig lesa ýmislegt fleira skrýtið sem gerist þegar vatn breytist í ís við mikinn þrýsting. Þannig sést dæmis, ef umhverfisþrýstingur á vatni er aukinn upp í um 9000 loftþyngdir (900 MPa) við 20°C, að þá myndast ís í ham VI.

Af ofangreindu er ljóst að eiginleikar þessa efnis sem við umgöngumst og snertum á degi hverjum, vatnsins, eru margbreytilegri en margan kann að óra fyrir.

Heimildir

Myndir

...