Jak można wytłumaczyć to, że woda krzepnie i topi się w temperaturze zera stopni?

Jak można wytłumaczyć to, że woda krzepnie i topi się w temperaturze zera stopni?

Żeby zestalić lub roztopić wodę również potrzebny jest pewien nakład energii w temp. 0C. Poniżej tej temperatury nie można dalej schładzać wody a powyżej ogrzewać lodu. 

Zmiany stanu skupienia ciał, czyli ogólniej mówiąc "przejścia fazowe" zachodzą najczęściej pod wpływem:

• dostarczonego /odebranego ciepła (zmiany energii wewnętrznej)
• zmiany ciśnienia.

Niemal wszystkie przejścia fazowe w jakimś stopniu mogą zachodzić właściwie w dowolnej temperaturze - np. w tym samym czasie zachodzić i topnienie, i proces odwrotny krzepnięcie; i parowanie i częściowe skraplanie. Np. jednocześnie zachodzi topnienie lodu i krzepnięcie wody w różnych obszarach bryły lodu stykającej się z wodą. Jednak w zależności od temperatury ciała przewagę zdobywa jeden proces nad konkurencyjnym - np. w temperaturze powyżej zera (w warunkach normalnych) topienie się lodu ma przewagę nad krzepnięciem wody. Z kolei w temperaturach poniżej zera przewagę zdobywa krzepnięcie i dzięki temu po jakimś czasie powierzchnia zbiorników wodnych zimą pokrywa się lodem. W sytuacji granicznej - gdy procesy w jedną i drugą stronę mają tę samą szybkość (czyli np. tyle samo wody krzepnie, co lodu się topi) - mówimy o znajdowaniu się substancji w stanie równowagi termodynamicznej.

temperatura krzepnięcia = temperatura topnienia

temperatura topnienia lodu/krzepnięcia wody wynosi 273,15 K = 0 °C.

Topnienie- przemiana fazowa, polegająca na przejściu substancji ze stanu stałego w stan ciekły. Przy zjawisku topnienia należy pamiętać o odwracalności zjawisk w przyrodzie i łączyć je ze zjawiskiem krzepnięcia. Oznaczana eksperymentalnie temperatura topnienia nie zawsze jednak odpowiada ściśle temperaturze krzepnięcia. Wynika to m.in z wpływu zanieczyszczeń, szybkości schładzania/ogrzewania, problemów z krystalizacją oraz ze zjawisk powierzchniowych i międzyfazowych. Dla każdego idealnie czystego pierwiastka i większości związków chemicznych, przy określonym ciśnieniu można wyznaczyć jedną, ściśle określoną temperaturę topnienia, która zarazem jest też jej temperaturą krzepnięcia. Pomiary takie wykonuje się na bardzo małych próbkach i przy jak najwolniejszym tempie zmiany temperatury. Niektóre związki chemiczne nie topią się w ogóle, gdyż rozkładają się przed osiągnięciem temperatury topnienia. W przypadku mieszanin związków chemicznych i związków o bardzo wysokich masach cząsteczkowych (polimery, bipolimery), wyznaczanie jednej temperatury topnienia jest niewykonalne, gdyż proces ten jest dla takich substancji bardzo złożony. W przypadku polimerów, kompozytów i stopów metali bardzo często zamiast mówić o temperaturze topnienia, mówi się raczej o zakresie temperatur mięknięcia. Z punktu widzenia termodynamiki topnienie jest przemianą fazową I rodzaju, co oznacza w praktyce, że nie może zachodzić bez wymiany ciepła. Procesy topnienia prowadzone pod stałym ciśnieniem mają zawsze charakter endotermiczny, co oznacza, że do ich zajścia konieczne jest dostarczenie z zewnątrz określonej porcji energii termicznej. Na co dzień można to zaobserwować wrzucając kostkę lodu do wody. Obliczając jaka powinna być temperatura wody po całkowitym rozpuszczeniu lodu z samej tylko różnicy temperatur, masy i pojemności cieplnej obu substancji, uzyskuje się wynik wyższy niż rzeczywiście zmierzony o różnicę samego ciepła topnienia. Skuteczność chłodzenia wody przez lód nie wynika zatem tylko z różnicy temperatur wody i lodu, lecz także z faktu endotermiczności procesu topnienia lodu.

Krzepnięcie - proces przechodzenia ciała ze stanu ciekłego w stan stały. Krzepnięcie wielu substancji zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą krzepnięcia (dla wody 0 °C). W miejscu styku substancji w stanie stałym i stanie ciekłym w cieczy i w ciele stałym podczas krzepnięcia i topnienia jest taka sama temperatura zwana temperaturą topnienia. Temperatura topnienia jest podawana jako wielkość charakterystyczna dla wielu substancji. Temperatura topnienia (krzepnięcia) zależy nieznacznie od ciśnienia. Krzepnięciu towarzyszy wydzielanie ciepła co jest równoważne temu, że krzepnięcie przy stałym ciśnieniu wymaga odprowadzenia ciepła z krzepnącej substancji. Ilość ciepła wydzielanego podczas krzepnięcia wyraża się wzorem:

gdzie

c_t - ciepło krzepnięcia (topnienia)

m - masa substancji

Rozpoczęcie krzepnięcia jest uzależnione od obecności w cieczy zarodków krystalizacji, na których rozpoczyna się proces tworzenia kryształów. Zarodki mogą być homogeniczne (samoistne) lub heterogeniczne (pochodzące np. od zanieczyszczeń). Brak zarodków prowadzi do pojawienia się cieczy o temperaturze niższej niż temperatura krzepnięcia, ciecz taka zwana jest cieczą przechłodzoną.

Krzepnięciu roztworów towarzyszy zwykle rozdzielenie na poszczególne składniki. Temperatura krzepnięcia roztworu zależy od stężenia roztworu. Temperatura, w której rozpoczyna się krzepnięcie roztworu jest zazwyczaj niższa od temperatury krzepnięcia czystego rozpuszczalnika, a dla mieszanin cieczy niższa od temperatur krzepnięcia cieczy składowych.

Wielokrotnego topnienia i krzepnięcia używa się do rozdzielania lub oczyszczania substancji (rekrystalizacja).

zdjęcia użyte w pracy są mojego autorstwa :). 

główne źródło: wikipedia