ماذا يحدث عندما تقوم بتجميد المياه في حاوية بحيث لا يمكن للمياه أن تتوسع في الجليد؟

2024 مؤلف: Sherilyn Boyd | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-16 10:18

الإجابة المختصرة هي أن الماء لا يزال يتحول إلى جليد. ومع ذلك ، إذا لم تتمكن من كسر روابط الحاوية بشكل حقيقي ، فسوف يتم احتجازها في الداخل ، وتتحول إلى نوع مختلف تمامًا من الجليد عما كنا معتادًا على رؤيته.

نحن نعرف حاليا 15 "مراحل صلبة" مختلفة من الماء ، ويعرف أيضا باسم الجليد ، مع تمييز كل نوع بسبب اختلاف الكثافة والبنية الداخلية. إن الشكل الذي تعرفه على الأرجح هو Hexagonal Ice ، وهو ما يحدث عندما تتجمد المياه عادة في الظروف العادية. إذا استمررت في خفض درجة حرارة الثلج السداسي ، فإنه يصبح في النهاية مكعبات الثلج. قرص درجة الحرارة والضغط أكثر ويمكنك إنشاء الجليد الثاني ، والجليد الثالث على طول الطريق إلى الجليد الخامس عشر.

بسبب الصعوبة المتأصلة في إنتاج مثل هذه الضغوط العالية / المنخفضة ودرجات الحرارة ، فقد أخذ العلم حتى وقت قريب حتى عام 2009 لتوثيق كل شكل معروف من الجليد. تم اكتشاف غالبية الأشكال النهائية للجليد جزئياً من قبل مجموعة من الباحثين في قسم الكيمياء في جامعة أكسفورد الذين تمكنوا من إنشاء Ice XII و XIV و XV لأول مرة.

في حالة Ice XV ، فإن صنعه يتضمن أخذ Ice VI وإيقاد درجة الحرارة إلى -143 درجة مئوية قبل تعريضه للضغط بمقدار 10000 مرة أكبر من الغلاف الجوي للأرض. هذا الشكل النهائي للجليد ، وامتدادًا من الماء ، تمكن من تفجير العقول في أوكسفورد في مقابل كل توقعاتهم ، فقد أثبت أنه مضاد كهرومائي تمامًا ، غير قادر على حمل الشحنة على الإطلاق.

ولكن بالمعنى الأبسط ، يتم إنشاء الأشكال المختلفة للجليد من خلال مزيج مختلف من كل من الضغط ودرجة الحرارة ، ويمكن العثور على توليفات دقيقة منها عن طريق إلقاء نظرة سريعة على مخطط الطور المائي. ومع ذلك ، يمكن للعلماء ترشيد الميزان في صالحهم من خلال وسائل مختلفة. على سبيل المثال ، عند إنشاء Ice XIII و XIV ، استخدم الدكتور Christoph Salzmann وفريقه في جامعة أكسفورد تدابير حذرة من حمض الهيدروكلوريك لتغيير درجة الحرارة اللازمة لإنشاء الجليد.

إذا كان ما ورد أعلاه يبدو بسيطا إلى حد ما في مخطط الأشياء ، هذا لأنه كان وعلماء آخرين مثل البروفيسور جون فيني (الذي كان جزءًا من الفريق الذي اكتشف وأنتج آيس الثاني عشر في عام 1996) لاحظ الكثير عند السؤال عنه ، أن فريق Salzmann قد فعل في سنوات قليلة ما لم يستطع الباحثون الآخرون فعله في 40 سنة.

بالعودة إلى السؤال المطروح ، فإن الثلج العادي ، أو على الأقل النسخة التي كنت على دراية بها قبل أن نخبرك عن الأنواع الأربعة عشر الأخرى ، قادر على تطبيق مقادير هائلة من القوة عندما تتجمد وتتوسع. ويرجع ذلك إلى سمة فريدة من المياه ، خاصة أنها أقل كثافة من صلبة كسيولة. ويرجع هذا التباين في الكثافة إلى كيفية تفاعل جزيئات الماء عند التجميد. تتحد جزيئات الماء معًا في بنية سداسية صلبة ، مما يترك فجوة صغيرة ولكنها كبيرة بين الذرات التي لم تكن موجودة عندما كانت المياه سائلة. بالنسبة للغريب ، يصل الماء إلى أكثر كثافة في 4 درجات مئوية. أي برودة أو أكثر سخونة ويبدأ في التوسع.

إذن ، ما مقدار القوة التي يمكن للثلج أن يمارسها؟ حسنًا ، كان الناس يحاولون حل هذه المشكلة لفترة طويلة. في 1784 و 1785 ، استفاد أحد المراجعين إدوارد وليامز من الطقس في كيبيك وحاول مرارا وتكرارا فشل في العثور على طريقة لاحتواء الجليد. حاول ويليامز في البداية أن يختم الماء داخل قذائف المدفعية ، وقد تم إطلاق سدادات الحديد الزهر منها 475 قدمًا بسرعة 20 قدمًا في الثانية عندما يصبح الضغط كبيرًا جدًا. وبدون إزعاج ، أخذ ويليامز رسو القوابس في مكانها باستخدام خطافات ، فقط من أجل أن تنقسم القذائف إلى قسمين.

في تجربة أخرى ، جرت محاولة لملء مدافع مصنوعة من الحديد الزهر بسمك بوصة واحدة مع الماء فقط بالنسبة لهم أيضًا لتقسيمها عندما تم تجميدها. في وقت لاحق حاول الأكاديميون في فلورنسا ملء كرة مصنوعة من النحاس النحاسي سمكه بوصة واحدة مع الماء فقط من أجل الكراك أيضًا عند تجميدها. ثم عملوا في وقت لاحق على أن القوة المطلوبة للقيام بذلك سجلت في حوالي 27.720 جنيه.

للحصول على إجابة أكثر دقة ، تحتاج إلى العودة مرة أخرى إلى مخطط الطور المائي ، الذي يظهر أن الجليد سيتحول إلى الجليد الثاني عندما يصل الضغط إلى 300 ميجا باسكال ، وهو بالضبط 43،511.31 باوند من القوة لكل بوصة مربعة. بعبارة أخرى ، هذا هو مقدار الضغط الذي تحتاجه الحاوية حتى تتمكن من البقاء على قيد الحياة لوقف المياه وتحويلها إلى جليد منتظم ، وبدلاً من ذلك تتحول إلى ثلج.

لذا ، للإجابة على السؤال الأولي ، إذا قمت بتجميد المياه داخل الحاوية بحيث لا يمكن أن تتحول إلى جليد ، فإنها ستظل تتحول إلى جليد ، مجرد نوع مختلف قليلاً من الجليد من حيث التصنيف العلمي وبنيته الداخلية. علم!

حقيقة المكافأة:

نظري أنه في ضغوط ما بين 1.55-5.62 سيصبح ثلج terapascals معدني.