Лед

tomatyss Ivan Yufryakov Sept. 7, 2019

Лед

Часто встает вопрос о том, как получить прозрачный лед без специального оборудования. Следом за этим вопросом можно наткнуться на фантастические ответы про “мертвую воду” и обязательно фильтрованную воду. Давайте пойдем по порядку, и вспомним уроки физики за 7-8 класс.

Часто встает вопрос о том, как получить прозрачный лед без специального оборудования. Следом за этим вопросом можно наткнуться на фантастические ответы про “мертвую воду” и обязательно фильтрованную воду. Давайте пойдем по порядку, и вспомним уроки физики за 7-8 класс.

ЛЕД

Лёд — вода в твёрдом агрегатном состоянии.  Просто замороженная вода.  До того, как мы обзавелись ледогенераторами, холодильниками, морозильниками и прочим, лед в промышленных количества добывался на замороженных озерах. Промышленные поставки льда начались в середине 1800-х, согласно The Frozen Water Trade.

В настоящее время известны три аморфных разновидности и 15 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма на рисунке показывает, при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций (более полное описание см. ниже).

Фазовая диаграмма льда. Давление (ГПа) в логарифмическом масштабе. Температура слева — в градусах Цельсия, справа — Кельвина, 1 — жидкая фаза.

Правда, в природных условиях встречается только один тип кристаллической модификации — гексагональная сингония (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых  от неё расстояниях, равных 2,76 Å, и размещенных в вершинах правильного тетраэдра.

Кристаллическая структура льда Ih. Серыми пунктирными линиями показаны водородные связи.

Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность равна 916,7 кг/м³ при 0 °C, т.е меньше плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лед, увеличивает свой объем примерно на 9 %[1].   

ОБРАЗОВАНИЕ ЛЬДА 

Большинство материалов при понижении температуры становится плотнее. Вода себя ведет иначе, она достигает максимальной плотности при 4 градусах по цельсию. А потом начинает расширяться. Благодаря этому, например, большие озера не вымерзают зимой, и там остается кое-какая жизнь (если бы лед был плотнее воды, он опускался бы на дно, и поверхность воды бы снова замерзала).  

Итак, вода замерзает при 0° С. Мы все это помним из школьного курса физики. Тогда почему вода, кристаллизуясь, не образует структуры, сродни снегу или изморози, как морозилке? Ответ на этот вопрос имеет отношение к явлению, известному как переохлаждение. Вода не начнет замерзать при 0° C, если в ней нет уже кристаллов льда. Так как скорость таяния кристаллов льда зависит от соотношения площади соприкосновения и объема. Грубо говоря, даже в точке замерзания кристаллы будут образовываться, но сразу таять. Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия,  в случае с водой - это переохлаждение жидкости. 

Переохлаждение воды способствует росту кристаллов, и в процессе, называемом нуклеация, партия кристаллов всё таки образуется. 

 Процесс замерзания воды проходит с выделением тепла, поскольку вещество переходит из состояния, где оно обладало большей энергией, в состояние, где оно обладает меньшей энергией. Вследствие чего вода нагревается обратно до нуля. Именно поэтому кристаллы на поверхности озера в естественных условиях растут медленно. Постепенное образование кристаллической решетки позволяет выдавливать пузырьки воздуха, грязь, пыль и иные инородные элементы. В то время как быстрая заморозка, тем более сразу со всех сторон, образует множество точек кристаллизации, оставляя воздух и другой мусор внутри образовавшегося льда . Вот почему лед из озера всегда будет чистым и прозрачным.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛЬДА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ 

Если мы по аналогии будем изготавливать лед в обычном морозильнике, то нам необходимо, чтобы лед образовывал точки кристаллизации только на поверхности. Для этого можно использовать изотермический контейнер без крышки.

Лучше использовать горячую воду, хотя бы из-за эффекта Мпембы, или из-за того, что в горячей воде содержиться меньше воздуха (совершенно не обязательно ставить кипяток в морозилку, достаточно налить горячую воду в контейнер, дать ей остынуть до 45-50 градусов, после чего аккуратно поставить в морозильник). 

 

Дальше возможно два подхода: либо дождаться, когда вся вода превратится в лед, и отрезать нижниюю часть, где скопится весь воздух и мусор, либо подождать, когда бак промерзнет на ⅘, и слить оставшуюся воду.

ЛЕД И АЛКОГОЛЬ

 При желании можно охладить напиток при помощи льда  до - 6°С, и даже ниже. Почему так? Для этого необходимо будет вспомнить два понятия: энтальпия и энтропия. Энтальпия — это та энергия, которая доступна для преобразования в теплоту при определенном постоянном давлении. Энтропия - достаточно обширный термин, употребляющийся во многих дисциплина. В данном случае мы подразумеваем переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счете — в теплоту. Энтальпия - это процесс, который протекает когда вы замораживаете лед, энтропия - напротив, будет стремиться по возможности растопить его. 

Когда лед замерзает, он отдает теплоту (в данном случае не стоит путать тепло и температуру: в то время как температура характеризует степень нагретости вещества,  теплота - это та энергия, которую получает или теряет вещество в процессе теплообмена с окружающей средой), вследствие чего внутренняя энергия льда ниже, чем внутренняя энергия воды в жидком состояние. И наоборот, когда теплоты (читай энергии) больше, то молекулы воды будут стремиться к энтропии и стараться разрушить кристаллическую решетку. При нуле градусов эти процессы протекают одновременно. 

Разные вещества требуют различного количества теплоты, чтобы поднять и понизить их температуру. Это свойство называется теплоемкостью. Предпочтительно измерять теплоемкость в Джоулях, но для барменов, думаю, привычнее будет термин калории. Одна калория - это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия при стандартном атмосферном давлении 101 325 Па

 

Для зануд - в силу этого определения существует три типа калорий:

  • Калория (калория международная) (русское обозначение: кал; международное: cal), 1 кал = 4,1868 Дж точно.

  • Калория термохимическая (русское обозначение: калТХ; международное: calth), 1 кал ≈ 4,1840 Дж.

  • Калория 15-градусная (русское обозначение: кал15; международное: cal15), 1 кал ≈ 4,1855 Дж.

 

Итак, теплоемкость воды - 1 калория на грамм на градус, теплоемкость льда - 0,5 калорий на грамм на градус, теплоемкость чистого спирта - 0,6 калорий  на грамм на градус. Как мы помним, при замерзании льда выделяется теплота, соответственно для таяния льда требуется то же самое количество теплоты (80 калорий на грамм). Внимательные читатели могут заметить, что такое же количество теплоты требуется для нагревания воды до 80 градусов.

Использовав все эти данные, мы получим следующее умозаключение: при смешивании вашего Мартини система вода/алкоголь/лед будет стремиться к равновесию, поэтому, когда температура жидкости понизится до 0 градусов, плавление льда продолжится. И для этого понадобится определенное количество теплоты, которое будет браться из вашего джина до тех пор, пока вся система не стабилизируется. 

И вам не составит никакого труда охладить ваш напиток, например до -4 градусов или ниже, если это потребуется.

 

 

 

http://www.dpva.ru/Guide/GuideMedias/GuideWater/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Лёд

http://www.cookingissues.com/index.html%3Fp=4585.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кристаллизация

Liquid Intelligence: The Art and Science of the Perfect Cocktail by Dave Arnold

"Hot water freezes faster than cold water. Why does it do so?", Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American, Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.

"The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.

"Supercooling and the Mpemba effect", David Auerbach, in American Journal of Physics, Vol. 63, No. 10, pp 882-885; Oct, 1995.

"The Mpemba effect: The freezing times of hot and cold water", Charles A. Knight, in American Journal of Physics, Vol. 64, No. 5, p 524; May, 1996.

"The Final Word", New Scientist, 2nd December 1995.

 

Comments

Log in to leave a comment

Be the first who will comment it