Lód — definicja, właściwości, zamarzanie i zastosowania
Poznaj lód: definicja, właściwości fizyczne, mechanizm zamarzania oraz praktyczne zastosowania w życiu codziennym i przemyśle.
Lód jest wspólną nazwą dla zamrożonej wody. Inne ciecze, takie jak amoniak, metan lub mleko, mogą być nazywane lodem, gdy zamarzają, ale nazywa się je na przykład "lodem mlecznym", a nie po prostu "lodem". Ciekła woda staje się stałym lodem, gdy jest bardzo zimna. Temperatura zamarzania wynosi 0° Celsjusza (32° Fahrenheita lub 273 kelwiny).
Lód jest powszechnie wytwarzany w domowej lodówce lub zamrażarce. Jeśli wodę włoży się do zamrażarki i zostawi na jakiś czas, woda robi się bardzo zimna i zamarza, tworząc lód. Wodę można umieścić w miedzianym (lub innym metalowym) pojemniku, aby szybciej zamarzła w lód. Metale są dobrymi przewodnikami ciepła, więc woda może zamarzać szybciej niż w plastikowej kuwecie do lodu.
Definicja i powstawanie
Lód to krystaliczna forma stała wody. W typowych warunkach atmosferycznych powstaje, gdy temperatura wody osiąga 0°C i następuje przejście fazowe z ciekłej do stałej. W praktyce proces zamarzania może być zmieniony przez obecność zanieczyszczeń, rozpuszczonych soli lub przez ciśnienie.
Właściwości fizyczne
- Gęstość: Lód ma mniejszą gęstość niż woda ciekła (około 0,917 g/cm³ w temperaturze 0°C), dlatego unosi się na powierzchni cieczy.
- Temperatura topnienia/zamarzania: 0°C przy normalnym ciśnieniu; temperatura topnienia i zamarzania jest taka sama.
- Ciepło topnienia: Aby stopić 1 kg lodu potrzeba około 334 kJ (ciepło właściwe topnienia), co ma znaczenie przy chłodzeniu i w przejściach fazowych.
- Struktura krystaliczna: Najczęściej spotykaną postacią jest kryształ typu heksagonalnego (oznaczany jako lód Ih). Przy wysokim ciśnieniu tworzą się inne odmiany lodu (ice II, III, V, VI, VII itd.).
- Przewodność cieplna i mechanika: Lód jest stosunkowo słabym przewodnikiem ciepła w porównaniu z metalami i zachowuje się kruchym materiałem przy niskich temperaturach.
- Optyka i kolor: Czysty lód jest przezroczysty, jednak pęcherzyki powietrza i zanieczyszczenia rozpraszają światło, co daje biały wygląd. Bardzo gruby, czysty lód może wyglądać niebiesko ze względu na absorpcję dłuższych fal światła.
Proces zamarzania
Zamarzanie zaczyna się od tworzenia zarodków krystalicznych; woda może też przechodzić przez stadium przechłodzenia (supercooling) i pozostać ciekła poniżej 0°C aż do pojawienia się zarodków. Woda zanieczyszczona lub znajdująca się przy powierzchni z łatwością tworzy kryształy. Podczas zamarzania objętość wody wzrasta, co może prowadzić do pęknięć rur lub pojemników, jeśli nie ma miejsca na rozszerzenie.
Rodzaje lodu i jego występowanie
- lodowce i lądolody — masywne nagromadzenia lodu na lądzie, które kształtują krajobraz;
- pewne formy lodu morskiego — pływający lód morski i góry lodowe powstające z zamarzającej wody morskiej lub oderwanych fragmentów lodowców;
- szron, szadź i gołoledź — drobne formy powstające wskutek zamarzania pary lub kropel na powierzchniach;
- czarny lód — cienka, przezroczysta warstwa lodu na drodze, szczególnie niebezpieczna dla ruchu.
Zastosowania i znaczenie
- Chłodzenie i przechowywanie żywności: stosowany w zamrażarkach, do transportu chłodniczego oraz w postaci kostek do napojów.
- Sport i rekreacja: lodowiska, łyżwiarstwo, hokej, narciarstwo na oblodzonych stokach (śnieg to odmiana zamrożonej wody z pęcherzykami powietrza).
- Sztuka i rzemiosło: rzeźby lodowe i dekoracje zimowe.
- Przemysł i nauka: używany do schładzania procesów przemysłowych, eksperymentów naukowych; rdzenie lodowe z lodowców zawierają zapis klimatu (pęcherzyki powietrza, izotopy), co daje informacje o przeszłych warunkach pogodowych.
- Budownictwo i ratownictwo: w niektórych regionach lód pełni rolę drogi sezonowej lub platformy roboczej; jednocześnie oblodzenie stwarza zagrożenia i wymaga działań zapobiegawczych.
- De-icing: lód na drogach i samolotach usuwa się mechanicznie lub chemicznie (posypywanie solą powoduje obniżenie temperatury zamarzania dzięki depresji punktu zamarzania).
Bezpieczeństwo i ciekawostki
Grubość lodu determinuje jego nośność — cienki lód może być niebezpieczny dla ludzi i pojazdów. "Czarny lód" jest szczególnie zdradliwy, bo gołym okiem często jest niemal niewidoczny. Ciekawostką jest, że przy bardzo wysokich ciśnieniach woda tworzy odmiany lodu o zupełnie innych właściwościach i strukturach, ważnych w badaniach fizyki materii.
Lód w koszyku
Kryształki lodu na szkle
Jak powstaje lód
W odróżnieniu od innych cieczy, woda rozszerza się podczas zamarzania, stając się lodem; dlatego lód unosi się na wodzie, ponieważ ma mniejszą gęstość niż woda. Jest to bardzo niezwykłe - prawie każda inna ciecz staje się bardziej gęsta w miarę stygnięcia; lód wodny jest jednak ważnym wyjątkiem. Ciekła woda rozszerza się o około 9%, gdy staje się lodem - zajmuje więcej miejsca. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki wody zamiast zbliżać się do siebie, znajdują się dalej od siebie. Cząsteczki w krysztale lodu są ułożone w taki sposób, że mają mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym.Jeśli woda w instalacji wodno-kanalizacyjnej zamarznie, może spowodować pęknięcie rury wodnej. Woda w szklanych butelkach może spowodować ich eksplozję, gdy zamarznie. Woda zamarzająca w pęknięciach skał może się rozszerzyć na tyle, by rozszczepić twarde skały; jest to ważny proces wietrzenia geologicznego, który może zniszczyć góry i przekształcić skały w glebę.
Kiedy materiały są schładzane, ich cząsteczki mniej wibrują i zwijają się razem. Kiedy większość materiałów osiąga temperaturę zwaną punktem zamarzania, cząsteczki tworzą krystaliczne ciało stałe - chociaż niektóre materiały (takie jak szkło i smoła) w ogóle nie krystalizują, ale tworzą super sztywne ciecze, które wydają się być ciałem stałym. Tylko hel nie zamarza; wszystkie inne substancje zamarzają, jeśli są wystarczająco zimne, ale płyny takie jak olej spożywczy, płyn niezamarzający, benzyna, azot itp. zamarzają w temperaturach, których większość ludzi nie doświadcza.
Słona woda
Słona woda potrzebuje niższej temperatury do zamarznięcia niż czysta woda. Powstały w ten sposób lód zawiera znacznie mniej soli niż słona woda, z której powstał. Fakt ten był czasem wykorzystywany do odsalania wody. Słony lód nie jest tak mocny jak zamrożona czysta woda. Podobnie posypywanie lodu solą powoduje jego topnienie, jeśli nie jest zbyt zimno: sól stopniowo wnika w lód, tworząc solankę, która nie zamarza w tej temperaturze.
Geograficzne położenie lodu
Ponieważ lód unosi się na wodzie, nawet duże zbiorniki wodne, które zamarzają, jak niektóre oceany, tworzą lód tylko na powierzchni. Większość jezior nigdy nie zamarza do samego dna. Nawet najzimniejsze oceany, takie jak Ocean Arktyczny, zamarzają tylko na powierzchni, pozostawiając ciekły ocean krążący poniżej. Z tego powodu oceany Ziemi są w stanie redystrybuować ciepło, a klimat Ziemi ma mniej ekstremów ciepła i zimna niż w przeciwnym wypadku. Gdyby lód miał tonąć zamiast pływać, oceany wypełniłyby się lodem od spodu, pozostałyby stałe i tylko część wierzchu uległaby rozmrożeniu. Stały ocean nie cyrkulowałby ciepła. Ale ponieważ lód unosi się na powierzchni, woda pod nim może nadal krążyć, a lód na powierzchni pozostaje odsłonięty i łatwo topi się, gdy temperatura wzrasta.Duże bryły lodu na lądzie nazywane są lodowcami. Na Antarktydzie znajduje się większość światowego lodu.
Epoki lodowcowe
Zmiany klimatyczne zachodzą cały czas. Kiedy jest bardzo zimno, nazywa się to epoką lodowcową. Podczas epok lodowcowych bardzo duże obszary Ziemi pokryte są lodem, śniegiem i lodowcami. Przyczyny powstawania epok lodowcowych są złożone, czyli trudne do zrozumienia. Globalne ocieplenie ma obecnie wpływ na zasoby lodu na Ziemi, a jego przyczyny są również bardzo złożone.
Suchy lód
Istnieje również "suchy lód"; jest to zamrożony dwutlenek węgla. Suchy lód wystawiony na działanie normalnego powietrza wydziela gazowy dwutlenek węgla, który jest bezwonny i bezbarwny. Gaz ten jest tak zimny, że kiedy miesza się z powietrzem, schładza parę wodną w powietrzu do postaci mgły, która wygląda jak gęsty biały dym. Jest on często używany w teatrze do tworzenia sztucznej mgły lub dymu.
Suchy lód po włożeniu do wody
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest lód?
O: Lód to potoczna nazwa zamarzniętej wody.
P: Czy inne płyny mogą być nazywane lodem?
O: Tak, inne ciecze, takie jak amoniak, metan lub mleko, mogą być nazywane lodem, gdy zamarzają, ale zwykle są nazywane ich specyficznymi nazwami, takimi jak "lód mleczny".
P: Kiedy ciekła woda zamienia się w stały lód?
O: Ciekła woda staje się stałym lodem, gdy jest bardzo zimna, a jej temperatura osiąga punkt zamarzania 0°C.
P: Jak wytwarza się lód w domu?
O: Lód jest zwykle wytwarzany w domowej lodówce lub zamrażarce. Jeśli woda zostanie umieszczona w zamrażarce i pozostawiona na jakiś czas, woda stanie się bardzo zimna i zamarznie na stałe, tworząc lód.
P: Czy materiał, z którego wykonany jest pojemnik ma wpływ na czas zamarzania wody w lód?
O: Tak, wodę można umieścić w miedzianym (lub innym metalowym) pojemniku, aby szybciej zamarzła w lód. Metale są dobrymi przewodnikami ciepła, więc woda może zamarznąć szybciej niż w plastikowej tacce na lód.
P: Jaka jest temperatura zamarzania wody?
O: Temperatura zamarzania wody wynosi 0°C (32°F lub 273K).
P: Dlaczego niektóre ciecze mają różne nazwy, gdy zamarzają?
O: Niektóre ciecze mają różne nazwy, gdy zamarzają, takie jak "lód mleczny", ponieważ są one zwykle mieszane z innymi składnikami, które wpływają na ich właściwości podczas zamarzania.
Przeszukaj encyklopedię