XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Структуры льда, выращенного в морозильной камере
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Людей всегда интересуют явления окружающего мира. Нужно уметь замечать вещи, происходящие вокруг нас, понимать их и пытаться разобраться в них.
Известно, что лёд-это вода в твёрдом агрегатном состоянии, т.е. является твёрдым телом (см. приложение 1).Многие из нас хотя бы раз самостоятельно замораживали обычную воду в морозильной камере. Но не каждый из нас проявлял интерес к внешнему виду и к структуре такого льда. А ведь нам часто приходится видеть нечто необычное и непонятное, как например удивительные по красоте снежинки или морозные узоры на стекле. Это непонятное пробуждает интерес к явлению и к тем процессам в жидкости, которые их порождают.
Идея этой исследовательской работы пришла мне после того, как я решил, в очередной раз, заморозить воды, чтобы освежаться в жаркие дни. Пластиковую бутылку объёмом 0,33 л я наполнил обычной водой из-под крана, и поставил в морозильную камеру. Примерно через 10 часов достал бутылку и приступил к её осмотру. Лёд заполнил всё пространство бутылки. Он был прозрачен, и только в середине бутылки лёд имел вид снегообразного, матово-молочного столба (см. рис. 1). На фотовидны блестящие образования удлинённой и заострённой формы. Назовём их иглами. Пространство между иглами остаётся прозрачным. Внутри в иглах наблюдаются сферические пузырьки. Всё это выглядит красиво и непонятно.
Проведя ещё несколько раз опыт с замораживанием, я убедился, что описанная выше картина повторяется с небольшими отличиями – иглы могут располагаться реже или гуще, они могут быть прямыми или изогнутыми, короче или длиннее, меняется их ориентация относительно оси бутылки, Меняется также размер и форма снежно- матового столба.
Актуальность проекта: возникает ряд естественных вопросов. Что собой представляют эти образования? Как они возникают и что содержат? Почему имеют иглообразную форму? Что собой представляют сферические пузырьки внутри игл – что содержат и как образуются? В учебной и научной литературе практически мы не нашли какой-либо информации по поводу наблюдаемых нами образований во льду. В интернете попалась фотография (рис. 1) без каких-либо пояснений. Между тем исследования в данном направлении представляют определённый интерес как с научной точки зрения (рост кристаллов, виды и условия возникновения дефектов в них), так и с практической, поскольку расширяют наши представления о замерзании воды, в том числе, в таких масштабных природных объектах, например, в ледниках, айсбергах, Также, возможно, что мы или кто-то другой, заинтересовавшийся нашей работой, сможем вынести из этого практическую пользу.
Объект исследования: специфические особенности в структуре льда, получающемся при замораживании воды в прозрачном пластиковом сосуде: образования в форме блестящих игл в прозрачном льду, пузырьки внутри игл, столбы снегообразного вида.
Рис. 1
Цель работы.
Исследование природы, механизмов и условий возникновения структурных образований во льду и выявление особенностей их проявления в обычной питьевой, минеральной, газированной, дистиллированной воде и влияние на них режимов замораживания.
Меня заинтересовало данное явление, и я решил изучить его подробнее. При этом мне предстояло углубить свои знания и представления в некоторых разделах физики. Например, в физике твёрдого тела. Строение кристаллов. Рост и морфология кристаллов. Процессы и механизмы роста кристаллов из расплава. Влияние чистоты расплава (вода – расплав), скорость охлаждения и скорость роста, дефекты в кристаллах, точечные дефекты и их поведение вблизи точки замерзания (отжиг образца), влияние растворённого в воде воздуха на рост кристаллов.
Задачи, решаемы в ходе работы над проектом:
Изучить самостоятельно современные представления о росте кристаллов, о влиянии примесей, о видах дефектов и их поведении вблизи плавления.
Отработать методику замораживания воды в стабильных условиях.
Отработать методику наблюдений и измерений в структурных образованиях замороженной воды.
С использованием теоретических представлений выдвинуть гипотезы о природе и механизмах возникновения структурных образований во льду и об их особенностях.
Привести обоснование соответствия гипотез результатам наблюдений.
Методика экспериментальных наблюдений.
Работа носит экспериментальный характер. Наблюдение за образцами льда в бутылках с разной водой, замороженной в разных условиях. При объяснении наблюдаемых результатов применяются современные представления физики твёрдого тела - о росте и морфологии кристаллов, о дефектах в кристаллах и их поведении вблизи точки плавления, о влиянии примесей и скорости охлаждения на кристаллизацию воды, как расплава. Образцы получаются в морозильной камере домашнего холодильника. Оптические наблюдения проводилось с применением стереолупы с трёхкратным увеличением.
Стереолупа
Результаты наблюдений и их обсуждение.
Замораживание воды происходит, при температуре около минус 5 градусов. Мы полагаем, что в морозилке температура слоя воздуха, прилегающего к бутылке, постоянна и лишь в самой нижней части несколько ниже, чем в верхней. В связи с аномалией плотности воды при 4 градусах, замерзание начинается сверху. В таком температурном поле вода охлаждается через стенки бутылки и первые кристаллы появляются именно на поверхности стенок. В средней по высоте части фронт роста кристаллов ориентирован вертикально, т.е. слои нарастают вертикальными слоями к центру образца. Этот процесс нагляден из-за высокой скорости кристаллизации воды. Скорость нарастания слоёв льда по подсчётам примерно равна 1000 .
Примерная форма теплового поля при замораживании воды. Фронт роста кристаллов должен быть перпендикулярен иглам.
В прилегающем к стенкам части слоя толщиной до двух сантиметров начиналось самое интересное – в прозрачной, стеклообразной среде наблюдались блестящие иглоподобные образования, упорядоченно располагающиеся с интервалом около половины сантиметра. (см.рис.2). Длина игл от миллиметров до полутора сантиметров. Ориентированы они радиально к центру сосуда. В нижней части бутылки иглы дополнительно изогнуты к центру вверх, в средней части они ориентированы горизонтально. При внимательном рассмотрении с помощью стереолупы в каждой игле обнаруживаются группы сферических блестящих пузырьков.
Известно, что при медленном росте монокристалл оттесняет примеси. В нашем случае примесями являются различные соли и минералы, содержащиеся в водопроводной воде. Примесями являются также газы, растворённые в воде. По мере нарастания льда примеси оттесняются гранями кристаллов, их концентрация в жидкой части увеличивается.
Рис. 2
1. Происхождение иглообразных структур. Мы предполагаем, что с некоторого момента одиночные молекулы газов, оттесняемые гранями растущих кристаллов, объединяются и образуя пустоту внутри льда. Она принимает определённую геометрическую форму, некоторое подобие «обратного кристалла». Поэтому растёт вместе с основным кристаллом в одном с ним направлении, сохраняя форму поверхности и площадь сечения. При этом условии они не нарушают структуру монокристалла и лёд между иглами остаётся прозрачным.
2. Природа пузырьков/дефектов. Как видно из рисунков ниже дефект имеет форму иголочки или сосульки. Он не ровной формы. Это можно объяснить исходя из особенности роста кристалла. Как мы уже говорили ранее, когда происходит рост кристалла, молекулы льда нарастают от стенок к центру, обходя или же вытягивая растворённые в воде примеси и газы. От этого и появляются выемки и горки на поверхности «иголочки».
Блеск игл объясняется явлением полного внутреннего отражения (см. приложение 2) света на границе лёд/воздух. Вместе с газом в такой полости присутствует переохлаждённая на 2-3 градуса вода, которая формируется из водяного пара. Она отличается высокой чистотой. Переохлаждённая вода также объясняет блеск «иголочки». Также в толще льда находятся полости с воздухом сферической формы.
3. Образование снегообразного столба. Более крупные примеси, накапливаясь вблизи фронта растущего кристалла, начиная с некоторой критической концентрации препятствуют росту монокристалла. На гладкой поверхности фронта монокристалла появляются дефекты, вырастают мелкие кристаллики с хаотичной ориентацией. Это приводит к образованию поликристаллической, снегообразной массы, что хорошо проявляется на фотографиях замороженных образцов.
Обращает на себя внимание следующий факт. Длина полостей ограничена – они заканчиваются раньше, чем образуется снегообразная масса. Можно полагать, что к этому моменту в полостях уже собран почти весь газ, растворённый в жидкости.
Вывод.
Проделанная работа и приведённые выше обоснования строятся на выдвинутой нами гипотезе. Суть гипотезы заключается в том, что вода кристаллизуется от стенок к центру сосуда. Фронт роста кристаллов должен быть перпендикулярен иглам. т.е. нарастают горизонтально. Когда на пути молекул воды встречаются молекулы воздуха, происходит отторжение, они накапливаются перед фронтом и кристалл, огибая их формирует полости с воздухом и водяными парами.
На имеющемся у нас оборудование мы подтвердили и опровергли только основные утверждения, но мы продолжаем углубляться в процесс и улучшать приборы, чтобы как можно точно понять и объяснить данное очень интересное явление.
Список используемой литературы.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Лёд#:~:text=Лёд%20воды%20—%20вода%20в,и%2017%20кристаллических%20модификаций%20льда
http://www.comodity.ru/proizvodstvolda/stroenielda/1.html
https://www.o8ode.ru/article/krie/Water_and_ice_do_we_know_enough_about_them
https://en.wikipedia.org/wiki/Total_internal_reflection#Critical_angle
https://ja-rus.ru/kreshhenskaya-voda-i-kosmicheskie-sily/
https://zen.yandex.ru/media/id/5d53a09af8a62300ada01f10/paradoks-mpemby-pochemu-goriachaia-voda-zamerzaet-bystree-holodnoi-5d721f4a433ecc00ada70b7e
https://aspasiaroma.livejournal.com/tag/Вода
Приложение 1.
Твёрдое тело — одно из четырёх основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений атомов, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решётки. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники.
Кристаллическая решётка льда
Приложение 2.
Полное внутреннее отражение (П.В.О.)—оптическое явление, при котором волны, приходящие на границу раздела (границы) из одной среды в другую (например, из воды в воздух), не преломляются во второй ("внешней") среде, а полностью отражаются обратно в первую ("внутреннюю") среду. Это происходит, когда вторая среда имеет более высокую скорость волны (т.е. более низкий показатель преломления), чем первая, и волны падают на поверхность раздела под достаточно наклонным углом.
Т. к. показатель преломления льда (nл=1,31) больше, чем показатель преломления многих газов (nг~1), а внутренние стенки «иголочек» гладкие, то свет полностью отражается от поверхности дефекта, именно поэтому мы его и наблюдаем.