קרח הוא חומר מוצק שנמצא במצב צבירה, הנוטה לצורת גז או נוזל בטמפרטורת החדר. תכונות הקרח החלו להיחקר לפני מאות שנים. לפני כמאתיים שנה גילו מדענים שמים אינם תרכובת פשוטה, אלא יסוד כימי מורכב המורכב מחמצן ומימן. לאחר הגילוי, נוסחת המים החלה להיראות כמו H2O.
מבנה הקרח
H2O מורכב משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. במנוחה, מימן ממוקם בחלק העליון של אטום החמצן. יוני חמצן ומימן צריכים לתפוס את הקודקודים של משולש שווה שוקיים: חמצן ממוקם בחלק העליון של זווית ישרה. מבנה זה של מים נקרא דיפול.
קרח הוא 11.2% מימן והשאר חמצן. תכונות הקרח תלויות במבנה הכימי שלו. לפעמים הוא מכיל תצורות גזים או מכניות -זיהומים.
קרח נמצא בטבע בצורה של כמה מינים גבישיים ששומרים על המבנה שלהם ביציבות בטמפרטורות מאפס ומטה, אבל באפס ומעלה הוא מתחיל להימס.
מבנה גביש
תכונות הקרח, השלג והקיטור שונות לחלוטין ותלויות במבנה הגבישים. במצב מוצק H2O מוקף בארבע מולקולות הממוקמות בפינות הטטרהדרון. מכיוון שמספר התיאום נמוך, ייתכן שלקרח יש מבנה פתוח. זה בא לידי ביטוי בתכונות הקרח ובצפיפותו.
צורות קרח
קרח הוא אחד החומרים הנפוצים ביותר בטבע. על כדור הארץ, יש את הזנים הבאים שלו:
- river;
- lake;
- maritime;
- firny;
- שחור קרחוני;
- ground.
יש קרח שנוצר ישירות על ידי סובלימציה, כלומר. ממצב האדים. השקפה זו לובשת צורה שלדית (אנחנו קוראים להם פתיתי שלג) ומצטברים של צמיחת דנדריטים ושלד (כפור, כפור).
אחת הצורות הנפוצות ביותר הן נטיפים, כלומר נטיפי קרח. הם גדלים בכל העולם: על פני כדור הארץ, במערות. סוג זה של קרח נוצר מזרימת טיפות מים בהפרש טמפרטורות של כאפס מעלות בתקופת הסתיו-אביב.
תצורות בצורת רצועות קרח המופיעות בשולי מאגרים, בגבול המים והאוויר, כמו גם בשולי שלוליות, נקראות גדות קרח.
קרח יכול להיווצר בקרקעות נקבוביות בצורה של סיביוריד.
נכסי קרח
החומר יכול להיות במצבים שונים. בהתבסס על כך, נשאלת השאלה: איזו תכונה של קרח באה לידי ביטוי במצב מסוים?
מדענים מזהים תכונות פיזיקליות ומכניות. לכל אחד מהם מאפיינים משלו.
נכסים פיזיים
התכונות הפיזיקליות של קרח כוללות:
-
צפיפות. בפיזיקה, מדיום לא הומוגני מיוצג על ידי הגבול של היחס בין מסת החומר של המדיום עצמו לנפח שבו הוא סגור. צפיפות המים, כמו חומרים אחרים, היא פונקציה של טמפרטורה ולחץ. בדרך כלל משתמשים בצפיפות קבועה של מים בחישובים, השווה ל-1000 ק"ג/מ"ר3. מחוון צפיפות מדויק יותר נלקח בחשבון רק כאשר יש צורך לבצע חישובים בצורה מדויקת מאוד בשל חשיבות התוצאה של הפרש הצפיפות.
בחישוב צפיפות הקרח, נלקח בחשבון אילו מים הפך לקרח: כידוע, הצפיפות של מי מלח גבוהה יותר ממים מזוקקים.
-
טמפרטורת המים. בדרך כלל התגבשות מים מתרחשת בטמפרטורה של אפס מעלות. תהליכי הקפאה מתרחשים בקפיצות עם שחרור חום. התהליך ההפוך (ההתכה) מתרחש כאשר נספגת אותה כמות חום שהשתחררה, אך ללא קפיצות, אלא בהדרגה.
בטבע ישנם תנאים שבהם המים מקוררים במיוחד, אך הם אינם קופאים. חלק מהנהרות נשארים נוזליים אפילו ב-2 מעלות.
- קיבולת חום. זוהי כמות החום שנספגת כאשר הגוף מחומם עבור כל אחדתוֹאַר. קיימת יכולת חום ספציפית, המתאפיינת בכמות החום הנדרשת לחימום קילוגרם מים מזוקקים במעלה אחת.
- דחיסה. תכונה פיזית נוספת של שלג וקרח היא דחיסה, המשפיעה על הירידה בנפח בהשפעת לחץ חיצוני מוגבר. ההדדיות נקראת אלסטיות.
- חוזק קרח.
- צבע הקרח. תכונה זו תלויה בקליטת האור ובפיזור הקרניים, וכן בכמות הזיהומים במים הקפואים. קרח נהר ואגם ללא זיהומים זרים נראה באור כחול חיוור. קרח ים יכול להיות שונה לחלוטין: כחול, ירוק, כחול, לבן, חום, יש גוון פלדה. לפעמים אתה יכול לראות קרח שחור. הוא מקבל את הצבע הזה בגלל הכמות הגדולה של מינרלים וזיהומים אורגניים שונים.
מאפיינים מכניים של קרח
התכונות המכניות של קרח ומים נקבעות על ידי ההתנגדות לסביבה החיצונית ביחס ליחידת שטח. מאפיינים מכניים תלויים במבנה, מליחות, טמפרטורה ונקבוביות.
קרח הוא תצורה פלסטית אלסטית, צמיגה, אך ישנם תנאים שבהם הוא הופך קשה ושביר מאוד.
קרח ים ומים מתוקים שונים: הראשון הוא הרבה יותר פלסטיק ופחות עמיד.
כאשר ספינות חולפות, יש לקחת בחשבון את התכונות המכניות של הקרח. זה חשוב גם בעת שימוש בכבישי קרח, מעברי חצייה ועוד.
למים, שלג וקרח ישתכונות דומות שמגדירות את המאפיינים של חומר. אך יחד עם זאת, גורמים רבים אחרים משפיעים על הקריאות הללו: טמפרטורת הסביבה, זיהומים במוצק, כמו גם ההרכב הראשוני של הנוזל. קרח הוא אחד החומרים המעניינים ביותר על פני כדור הארץ.
