Переохлажденная жидкость и ее свойства

                                                            Выполнил ученик 8 "А" класса

                                                                                Норкин Степан

Все вещества, окружающие нас, находятся в трех агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное.

Переохлажденная жидкость – это жидкость нестабильного (метасбильного) состояния, температура которой ниже температуры кристаллизации при нормальном давлении. Причиной возникновения переохлажденных жидкостей при нормальном атмосферном давлении, является отсутствие так называемых центров кристаллизации - зародышей твердого состояния в веществе, из которых возникают кристаллиты – минимальные объемы кристалла. Легко переохлаждается сахарный сироп, образуя леденец.

Центрами кристаллизации могут служить мелкие, иногда невидимые даже в микроскоп кристаллики (затравка) или посторонние пылинки. Если же центров кристаллизации нет, то может произойти переохлаждение жидкости на несколько градусов. Важным примером этого является вода. Переохлаждение чистой, без каких-либо пылинок и примесей, воды часто наблюдается в природе. Капельки тумана могут не замерзать даже при морозах, достигающих -30°С. Переохлажденная жидкость находится в неустойчивом состоянии; с течением времени под влиянием тех или иных взаимодействий переохлажденная жидкость переходит в более устойчивое при данной температуре кристаллическое состояние.[1]

Способы получения переохлажденной жидкости:

1. Очень быстрое охлаждение. Данный процесс замедляет скорость протекания диффузии в веществах. Иначе говоря, охлаждение происходит настолько быстро, что молекулы не успевают выстроиться в кристаллическую решетку.

2. Устранение центров кристаллизации. Данный процесс происходит посредством очистки жидкости от различных твердых примесей. Примеси значительно снижают работу, требуемую для образования кристаллического зародыша и потому приводят к быстрой кристаллизации всей массы вещества.

Свойство переохлажденной воды, установленное на основе опыта.

«Переохлажденная вода — это две жидкости в одной». К данному выводу пришли американские исследователи после проведения первых в истории наблюдений за жидкой водой при температурах намного ниже ее обычной точки замерзания. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Опыт, проведенный с переохлажденной водой, заключался в том, что ученые охлаждали в лабораторных условиях воду до температуры в -20°С, без ее замерзания. Мэттью Шигасис - профессор Университета штата Нью-Йорк в Олбани пояснил, что данный процесс не похож на замерзание воды в точке застывания, который происходит при посыпании тротуаров солью, поскольку в данном исследовании использовалась чистая вода без загрязнений. Исследователи продемонстрировали, что определенные частицы, попадая в предварительно переохлажденную воду, могут вызвать ее замерзание на субатомном уровне. Другие частицы, такие как нейтроны, могут многократно рассеиваться внутри воды.

Ученые смогли показать, что данный процесс переохлаждения возможен с использованием коммерчески доступных источников частиц и «радиоактивными» красными тарелками «Fiestaware», выкрашенными краской на основе урана, и выпущенными почти 70 лет назад.

Следствие проведенного опыта

На основе использования переохлажденной воды Мэттью Шигасис вместе со своей группой создал новый детектор, для обнаружения элементарных частиц, названный ими "Снежковой камерой". Этот детектор хорошо сочетается с «облачной» и «пузырьковой» камерами, технологиями обнаружения элементарных частиц, созданных в середине 20-го века, и использующих конденсацию и кипение. Хотя переохлажденная вода не является новым явлением, Шигасису и его группе удалось определить, что некоторые частицы, такие как нейтроны фактически вызывают замерзание.  

Применения детектора переохлажденной воды.

После проведения опытов Мэттью Шигасис пояснил, что на его исследование переохлажденной воды оказали влияние продолжающиеся поиски темной материи – формы материи, которую можно обнаружить только через ее гравитационные эффекты. Темная материя образует значительную долю Вселенной. «Еще предстоит в лабораторных условиях открыть непосредственное, решающее и однозначное свидетельство существования темной материи», – сказал ученный. Благодаря исследованию переохлажденной воды, созданный учеными новый детектор может оказаться в состоянии обнаружить темную материю, поскольку предполагается, что нейтроны имитируют её.  

Последствия данного исследования довольно обширны, так как его можно использовать для выявления ядерного оружия в перевозимых грузах, для понимания процесса формирования облаков, а также оно может дать ключ к пониманию процесса зимней спячки животных, во время которой их кровь переохлаждается.[2]

Экспериментальное исследование свойств переохлажденной жидкости

Оборудование: пробирка, гипосульфит натрия, термометр, штатив с муфтой и лапкой, сосуд с горячей водой, стеклянный стакан, секундомер.

Содержание работы:

При охлаждении кристаллического вещества, находящееся в жидком состоянии, когда его температура опустится до температуры плавления, должна начаться кристаллизация. При быстром охлаждении жидкости кристаллизация не всегда успевает произойти и вещество сохраняет свое жидкое состояние. Данное явление называют переохлаждением жидкости.

В различных жидкостях переохлаждение достигается с различной степенью сложности. Некоторые жидкости легко могут переохлаждаться на десятки градусов ниже своей температуры кристаллизации, другие кристаллизуются уже при самом незначительном понижении температуры.

Состояние переохлажденной жидкости неустойчиво. Переохлажденную жидкость можно закристаллизовать следующими способами: внесением в нее кристалла того же вещества или встряхиванием жидкости.[3] Примером жидкости, легко переходящей в переохлажденном состоянии, является гипосульфит.

Выполнение работы:

1. Размял соли гипослульфита натрия и пересыпал их в пробирку.

2. Пробирку с веществом поместил в сосуд с горячей водой 70-80 ⁰С. Когда пробирка с веществом полностью прогрелась и соли расплавились, извлек пробирку из воды и поместил в нее термометр.

3. Записал установившиеся показания термометра с интервалом в одну минуту в таблицу

4. При понижении температуры до 35°C помешал термометром жидкость в пробирке, стараясь не повредить его кончик.

5. При образовании первых кристаллов наблюдал форму и заметную скорость их роста.

6. Построил график зависимости температуры вещества от времени по данным эксперимента, занесенным в таблицу.

7. Определил температуру кристаллизации вещества – 35 ⁰С,

продолжительность времени пребывания вещества в состоянии переохлажденной жидкости – 5 мин,

продолжительность времени кристаллизации вещества – 3 мин.

8. Окончив работу, вещество вновь расплавил, перелил в пакетик, т.к. оставленное вещество при длительном хранении может привести к растрескиванию пробирки.

Вывод: Жидкость может находится в переохлажденном состоянии и ее отвердевание начнется с появлением очагов кристаллизации, чему способствует резкие встряхивания жидкости термометром.

Список литературы

1. https://myslide.ru/presentation/115072_prezidenty_ssha

2. http://shkolnie.ru

3. Физическая лаборатория: описание лабораторных работ для 8, 9,10 и 11 классов лицея. Раздел Молекулярная Физика. Тепловые явления. - http://docplayer.ru

Скачано с www.znanio.ru