Zaujal vás nějaký fyzikální jev? Nevíte si rady s jeho vysvětlením? Neváhejte a napište nám svůj dotaz!
nalezeno 5 dotazů obsahujících »zmrznout«
1) Přechlazená kapalina
18. 09. 2011
Dotaz: Dobrý den Pracuji na stavbách bohužel i v zimě. Kdysi jsme dělali když
venku byl tuhý mráz, ale ve vnitř se netopilo. Našel jsem láhev s vodou a
když jsem ji vzal do ruky, byla velice hustá. Lehce jsem ji protřepal a
okamžitě zmrzla. Co to bylo za jev? Můžu to udělat i doma? Děkuji (Roman)
Odpověď:
Dobrý den. Pokud máte velmi čistou kapalinu a dáte jí zmrznout, může se stát, se si látka zachová své skupenství i několik stupňů celsia pod bodem tuhnutí. Toto souvisí s tím, že ve velmi čisté kapalině "proces krystalizace nemá kde začít". Pokud se pak do takto přechlazené kapaliny dostanou nečistoty, vzniknou krystalizační centra, na nichž může tuhnutí započít a rychle se šířit dál. Podobným způsobem zafunguje i to, když právě láhev s přechlazenou vodou vystavíte otřesům. Dochází pak k rázovým fluktuacím hustoty a v místech nárůstu začíná růst krystal.
O přechlazené vodě psal pěkně Pavel Bohm přímo tady na FyzWebu.
Na internetu lze nalézt mnoho zajímavých článků a zejména videí na dané téma, např zde.
Dotaz: Dobrý den Můj dotaz je ohledně mrznutí vody. Je pravda, že voda o vyšší teplotě
(např.: 8°C) zmrzne rychleji, než voda o teplotě menší (např.: 5°C)? (Petr Rudolf)
Odpověď: Doporučuji, abyste si to sám vyzkoušel. Budeme rádi, když nám pak podáte zprávy o svém experimentování, ať už to dopadne jakkoliv.
Zmíněný jev je v odborné literatuře znám pod názvem Mpemba effect (Mpembův jev) podle spoluautora článku, díky kterému bylo toto téma v minulém století "znovuobjeveno".
Mrznutím vody jsem se zabýval ve své
diplomové práci, z níž zkráceně ocituji závěr:
Teplejší voda skutečně může za stejných výchozích podmínek (až na rozdílné počáteční teploty) zmrznout v celém svém objemu dříve než voda původně studenější. Není to však pravidlem a zdá se to být spíše méně obvyklé. Velká popularita Mpembova jevu (otázka „Která voda zmrzne nejdřív – studená, nebo teplá?” zazněla dokonce v pořadu Nikdo není dokonalý) při jeho ve skutečnosti poměrně nesnadném pozorování (jednak proto, že často vůbec nenastane, jednak proto, že pokud nastane, nemusí být příliš výrazný) spočívá patrně v jeho zdánlivém rozporu s fyzikálními principy. Při bližším pohledu se však tento paradox dá objasnit způsoby přístupnými i středoškolským studentům.
Nejvýrazněji se Mpembův jev projeví v prostředí pokrytém ledem a sněhem (venku na mrazu nebo v poněkud zanedbané mrazničce). Nádoba s horkou vodou se může do takového podkladu protavit, a získat tak výrazně lepší tepelný kontakt s okolím. V praxi pak může rozdíl časů od počátku chlazení až do úplného ztuhnutí pro horkou a pro studenou vodu činit desítky procent.
Původně teplejší voda může zmrznout dříve než voda původně studenější také v případě, kdy se dostatečná část původního objemu díky vyšší teplotě odpaří. Tuhnutí pak probíhá v menším množství vody. Pečlivá hospodyně by si tedy mohla za jistých okolností všimnout, že rychleji získá kostky ledu v případě, kdy vodu před umístěním do mrazicího boxu ohřeje v rychlovarné konvici nebo mikrovlnné troubě. Doporučit jí takový postup ale můžeme jen sotva, protože je skoro určitě výhodnější dát do nádoby vodu studenou a rovnou snížit její množství o to, co by se bývalo vypařilo z horké vody.
Další okolností, která nesporně Mpembův jev podporuje, je přechlazení vody (to je jev, kdy voda zůstává při běžném tlaku v kapalné fázi i při teplotách pod nulou) – to ale pouze v případě, že se původně teplejší voda přechladí méně (tj. na vyšší teplotu) než voda původně studenější (jde o nutnou podmínku). Mpembův jev nastane tím spíše, čím více se teplota přechlazení původně teplejší vody blíží teplotě tuhnutí, případně čím více se teplota přechlazení původně studenější vody blíží teplotě v mrazničce. Přechlazování vody je ovšem do značné míry jev náhodný, takže spoléhat se na něj v jednotlivých pokusech nemůžeme.
Výše uvedené závěry jsem teoreticky i experimentálně ověřil. V citované práci si můžete přečíst o dalších okolnostech, které by mohly mrznutí vody ovlivňovat, najdete tam také odkazy na související články.
Dotaz: Dobrý den, nemohli byste mi říct, čím jsou plněné ohřívací polštářky? Takové ty,
co v nic zmáčknete plíšek, ta hmota skrystalizuje a hřeje. Děkuji (Linda)
Odpověď: "Jednorázový" polštářek bývá naplněn obvykle nějakou bezvodou solí (chlorid
vápenatý... ) a vodou - odděleně. Při smísení obou složek dochází k
rozpouštění soli a vázání molekul vody za vzniku hydrátu, což je doprovázeno
uvolněním většího množství tepla. Obdobně lze použít látky, které při
rozpouštění teplo spotřebovávají, k výrobě "chladicích polštářků".
Rozpouštěcí tepla jednotlivých látek lze najít v tabulkách a v laboratoři si
vyzkoušet, že se tepelné efekty opravdu dostavují.
Na složitějším principu pracují opakovaně použitelné polštářky. Obsahují
například přesycený roztok bezvodého thiosíranu sodného ve vodě v tzv.
metastabilním stavu - thiosíran by sice měl za těchto podmínek
vykrystalizovat, ale chybí mu dostatečná "aktivační" energie, kterou je
třeba dodat zvenku, v tomto případě zlomením plíšku. Pak teprve dojde ke
krystalizaci (ve formě hydrátu) a uvolnění tepla.
Povařením použitého polštářku (tj. za vysoké teploty) lze opět získat z
hydrátu bezvodou sůl a úplným vychlazením obnovit přesycený roztok.
K metastabilním stavům - i z laboratoře známe případy, kdy látka ne a ne
vykrystalizovat, voda ne a ne se vařit či zmrznout, ačkoli příslušné
fyzikální podmínky jsou splněny - tehdy jsou systémy v metastabilním stavu.
Pomáhá dodání energie například otřesem.
Dotaz: Opakovaně se mi stalo následující. Na kuchyňské lince nevytápěné chaty v zimě
stála láhev s vodou v PET láhvi. Na pohled byla voda v láhvi jednoznačně v
kapalném skupenství. Při sebemenším pohybu láhve došlo prudce ke změně
skupenství a voda v láhvi se přeměnila na led během zlomku sekundy. Připomíná mi
to jev "utajený var". Existuje něco podobného jako "utajené zmrznutí"? (Ing. Petr Heimerle)
Odpověď: Ano. Voda skutečně nemusí zmrznout hned při dosažení teploty tání/mrznutí - tedy při 0°C. Často se nám ji podaří podchladit o několik stupňu, čistou destilovanou vodu se občas podaří podchladit třeba i na -20°C. Má-li kapalina teplotu nižší, než jaká odpovídá teplotě tání/mrznutí, mluvíme o tzv. podchlazené kapalině. Podchlazená kapalina je velice citlivá na přítomnost jakýchkoli příměsí i na mechanické vzruchy. Skutečně pak stačí třeba i malé drknutí do stolu a kapalina velmi rychle zamrzne.
Dotaz: Zajímalo by mne, proč kuchyňská sůl rozpouští led. Vysvětlení, že je to tím, že směs soli a vody (nebo snad ledové tříště) má nižší bod tání, myslím není spravné, protože sůl rozpustí led, aniž by na počátku rozpouštění byla nějaká směs. Pokud by to tak přece jen bylo, pak by okolí posoleného ledu muselo ještě více zmrznout (nižší teplota tání) a ne se rozpouštět. Však také směs ledu a soli ve zkumavce dokáže tak chladit, že se na zkumavce zvenku skutečně tvoří led, pokud je zkumavka umístěna ve vodě.
(František Vařacha)
Odpověď: Vycházejte zde dvou faktů:
1) Roztok soli tuhne až při nižší teplotě než čistá voda.
2) Na to, aby roztok zmrzl (tj. aby kapalina přešla v pevnou látku), je mu
třeba odebrat energii (teplo), a to jednak na to, aby jeho teplota poklesla
na teplotu tuhnutí příslušné směsi, jednak na to, aby kapalina této teploty
ztuhla na pevnou látku.
Zanedbáme ostatní jevy, jako že se při vlastním rozpouštění může
uvolňovat nebo naopak pohlcovat teplo. Mějte tedy led teploty přesně 0°C a sůl u něj.
Pak nejmenší kapička vody, v níž se rozpustí zrnko soli, bude roztokem,
který za teploty 0°C už nemůže být tuhý. Tento roztok bude v sobě rozpouštět
další sůl a další led; ten ale přechází z tuhé fáze do kapalné a tím bude směs
ochlazovat. Teplota roztoku soli tedy klesne pod nulu, směs ale bude stále
tekutá a rozpouštět další led, a to tak dlouho, až se rozpuštěným ledem zředí
na takovou koncentraci, která bude moci při dosažené nízké teplotě tuhnout.
Je-li ovšem kolem přesně 0°C, pak to nebude nikdy. Je-li teplota trochu nižší,
třeba -5°C, pak snadno zjistíte koncentraci soli, které odpovídá tuhnutí
při této teplotě - a máte tím dáno množství ledu, které musí roztát po
nasypání daného množství soli.
