Почему лёд плавает в воде?
Обычный лёд плавает в пресной воде, потому что его масса меньше массы такого же объёма жидкой воды. При замерзании возникает менее плотная кристаллическая структура. Вода поддерживает лёд ещё до того, как он целиком погрузится.
Сначала сравните одинаковые объёмы
В словах «лёд легче воды» пропущено главное: сколько льда и сколько воды сравнивают? Большая глыба льда может иметь гораздо большую массу, чем ложка воды, и всё равно плавать. Сравнивать нужно одинаковые объёмы.
Плотность — это масса, делённая на объём. Для простого расчёта возьмём около 0,92 грамма на кубический сантиметр (г/см³) для плотного пресноводного льда вблизи температуры плавления и около 1,00 г/см³ для пресной жидкой воды. Один кубический сантиметр по объёму равен одному миллилитру.
Тогда масса 100 см³ льда — около 92 г, а масса 100 см³ жидкой воды — около 100 г. Объёмы одинаковы, но масса льда меньше. Это расчётный пример с округлёнными значениями, а не измерение кубиков из вашей морозилки.
Что меняется при замерзании?
Молекулы воды притягиваются друг к другу благодаря взаимодействиям, которые называют водородными связями. В обычном льду эти связи удерживают молекулы в упорядоченной, сравнительно просторной кристаллической структуре. В жидкой воде расположение постоянно меняется, и в целом молекулы могут размещаться плотнее.
Вода расширяется из-за расположения молекул, а не потому, что каждая молекула раздувается. Если воду не добавлять и не терять, при замерзании практически та же масса занимает больший объём. Больший объём при той же массе означает меньшую плотность.
Молекулы во льду продолжают колебаться: твёрдое состояние не означает отсутствия движения. И твёрдое вещество не обязательно плотнее своей жидкости. Важно его строение.
Как вода поддерживает лёд
Вода давит на лёд. В результате возникает направленная вверх выталкивающая сила. По закону Архимеда она равна весу воды, вытесненной погружённой частью.
Представьте, что погружённую часть льда убрали и заполнили её место водой: это и есть вытесненный объём. Когда свободно плавающий кусок неподвижен, выталкивающая сила уравновешивает направленную вниз силу тяжести. Поэтому масса вытесненной воды равна массе льда. В этой простой модели обычного кубика мы пренебрегаем поверхностным натяжением.
Проследим расчёт для 100 см³ льда
Масса нашего куска — около 92 г. При плотности воды около 1 г/см³ масса 92 г соответствует объёму около 92 см³. Значит, под поверхностью должно оказаться примерно 92 см³ льда: тогда он вытеснит достаточно воды для своего равновесия. Над поверхностью останется около 8 см³.
Доля погружённого объёма: 92 ÷ 100 = 0,92, приблизительно. То есть под водой находится примерно девять десятых объёма льда. Плавать — не значит почти целиком находиться над поверхностью.
На схеме показан стоящий прямо брусок с одинаковым горизонтальным сечением на любой высоте. При такой геометрии доля погружённой высоты совпадает с долей погружённого объёма. У наклонённого, сужающегося или скруглённого кубика доля высоты может быть другой. Измерение видимой верхушки не заменяет измерение объёма.
Рассмотрите обычный кубик льда
Возьмите прозрачный стакан, пресную воду комнатной температуры и обычный кубик льда. Стакан должен быть достаточно широким и глубоким, чтобы лёд плавал, не опираясь на дно.
- Налейте воду, оставив место для льда. Аккуратно опустите кубик в воду.
- Дождитесь, пока вода успокоится. Проверьте, что лёд свободно плавает, не касаясь стенки и дна. Найдите линию поверхности воды и небольшую выступающую часть.
- Зарисуйте увиденное. Запишите наблюдение «большая часть под водой» отдельно от любой оценки в процентах. При таянии форма и положение кубика могут меняться.
Что показывает такое наблюдение
В стакане можно увидеть, что плавающий лёд большей частью погружён в воду. Но это не позволяет разглядеть молекулярную структуру или точно измерить плотность. Объяснение связывает бытовое наблюдение с независимо установленными свойствами льда.
Примерная доля относится к плотному обычному льду в пресной воде. Воздух внутри льда, растворённые в воде вещества и температура влияют на плотность. Это не неизменный процент для любого льда в любой жидкости.
Проверьте объяснение
Выберите ответ или откройте пояснения ниже.
Ответы и пояснения
- Оба плавают, и под водой примерно одинаковая доля объёма каждого: Да. При одинаковой плотности в десять раз большая масса означает в десять раз больший объём. Крупный кусок вытесняет в десять раз больше воды, но доля погружённого объёма остаётся примерно той же.
- Большой кусок обязательно утонет, потому что он тяжелее: Его масса больше, но больше и объём, которым он может вытеснять воду. Одной массы недостаточно, чтобы предсказать плавание.
- Оба должны выступать над водой ровно на одинаковую высоту: Отношение плотностей определяет долю объёма, а не постоянную высоту. Размеры и форма кусков тоже имеют значение.