Strona głównaPytania → Z jaką siłą zamarzająca woda...

Z jaką siłą zamarzająca woda napiera na naczynie?

Pytanie

Pyta Marek

Długo utrzymujący się mróz potrafi rozsadzić od wewnątrz stalowe rury (lub ich złącza), w których znajduje się woda. Domyślam się, że siła ta musi być ogromna. Czy próbowano tą siłę zmierzyć, choćby po to, by ocenić czy można stworzyć rury z takiego materiału, którego mróz nie byłby w stanie rozsadzić?

Odpowiedź

Odpowiada Damian Zdulski

Tak, już w XVIII wieku prowadzono takie badania, o czym można przeczytać tutaj. Wlewano wodę do grubych żeliwnych i mosiężnych kul artyleryjskich, po czym je mrożono. Za każdym razem kule pękały na pół. Na tej podstawie można oszacować, że zamarzająca woda musi generować ciśnienie większe niż 191 MPa. Dla porównania ciśnienie atmosferyczne to tylko 0.1 MPa, a ciśnienie panujące na dnie rowu Mariańskiego to około 100 MPa.

Aby dokładniej obliczyć maksymalną siłę generowaną przez zamarzającą wodę należy przeanalizować diagram fazowy wody. Widać z niego, że zaczynając od punktu warunków standardowych, wraz ze zwiększaniem ciśnienia wywieranego na wodę obniża się temperatura zamarzania wody aż do około -22 stopni Celsjusza. Poniżej tej temperatury woda musi zamarznąć. Jednak zamiast przejść do znanej z życia codziennego formy lodu, oznaczanej jako Ih, przechodzi do fazy lodu III. Przeciwnie niż lód Ih, charakteryzuje się ona większą gęstością niż woda. Dlatego nie zwiększa objętości podczas zamarzania i tym samym nie rozsadzi naczynia. Proces ten zachodzi dopiero powyżej ciśnienia około 210 MPa i to jest właśnie maksymalne ciśnienie, jakie woda może wywierać na naczynie podczas zamarzania.