Je až s podivem, že voda, na první pohled tak neškodná a obyčejná, se může při zamrznutí proměnit v opravdového "zabijáka" na láhev! Dovedete si představit, jak by se něco takového mohlo stát? Ve skutečnosti existuje vědecké vysvětlení tohoto fenoménu, které je mnohem složitější, než se na první pohled může zdát.
Jednou z hlavních vlastností vody, díky které může láhev při zamrznutí rozbít, je zpětná závislost jejího objemu na teplotě. Obvykle, když se kapalina nebo plyn zahřejí, jejich objem se zvýší a ochlazením se sníží. V případě vody je to trochu složitější.
Při nízkých teplotách začnou molekuly vody zpomalovat své pohyby a pak se dějí zajímavé věci. Díky vlastnostem struktury molekuly vody, když mrzne, začne tvořit krystalickou mřížku, ve které jsou molekuly zabaleny tak těsně, že se vzdálenost mezi nimi zkracuje.
Příčina rozžhavení lahve
Když voda v láhvi zmrzne, může způsobit její rozdělení. Při ochlazování se voda rozpíná. Za normálních podmínek, kdy voda zamrzne na povrchu, je lehčí a vytlačuje se nahoru. V lahvi je ale omezený prostor a voda se nemůže rozšířit nahoru. Místo toho začne vyvíjet tlak na stěny lahve.
Pod tlakem začnou stěny láhve podléhat napětí. Pokud je tlak příliš velký, láhev se může rozbít.
Proces zamrznutí v láhvi může být také umocněn přítomností vody v jejím vzduchotěsném víku. Když voda zmrzne, roztáhne se, a pokud uvnitř víka není žádný prostor pro expanzi, může vytlačit víko nahoru a způsobit ještě větší napětí na stěnách láhve.
Abyste tomu zabránili, můžete v láhvi ponechat nějaké volné místo pro rozšíření zamrzlé vody nebo použít lahve speciálně navržené k zamrznutí kapalin.
Voda se při zamrznutí rozpíná
Vysvětlení tohoto jevu spočívá ve struktuře molekul vody a slabých vodíkových vazeb mezi nimi. Voda se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Mezi molekulami vody existují vodíkové vazby, které tvoří síť. Když teplota stoupá, molekuly vody se rychle pohybují, ničí vodíkové vazby a umožňují zvýšení objemu vody.
Když však teplota klesne na bod mrazu, molekuly vody začnou zaujímat uspořádanější pozici. V tomto stavu tvoří vodíkové vazby krystalovou mřížku, ve které se nachází nejkompaktnější prostor. Díky tomu dochází ke snížení mezimolekulárních pórů a zvyšuje se hustota vody.
Hustota vody se začíná zvyšovat s poklesem teploty na 4 stupně Celsia a dosahuje maximální hodnoty při 0 stupních Celsia. Při dlouhodobém chlazení se voda mění na led, který zabírá větší prostor než voda, což může způsobit poškození vnitřních struktur nádob, jako jsou lahve.
Síla ledu tlačí na stěny láhve
Když voda zmrzne, její objem se zvýší, protože molekuly vody se dostanou do pevnější polohy. LED zabírá více místa než voda.
V láhvi naplněné vodou může výsledný LED vyvinout významný tlak na stěny. K tomu dochází, protože když voda zmrzne, změní se na krystalickou strukturu, která má významnou mechanickou sílu na povrch, který jí brání.
Síla tlaku ledu na stěny láhve může být poměrně značná, zvláště pokud má láhev úzké hrdlo nebo uzavřený uzávěr. Láhev nemusí být schopna vydržet tuto sílu a roztrhat se.
Kromě toho mohou být stěny láhve vystaveny vibracím a napětí ze samotného zamrznutí vody, což může také přispět k prasknutí láhve.
Je důležité poznamenat, že ne všechny lahve prasknou, když voda zmrzne. Záleží na materiálu a konstrukci lahve a také na podmínkách zamrznutí.
V každém případě může být zmrazení balené vody velmi nebezpečné a vést ke zranění nebo poškození majetku. Proto se doporučuje nenechávat lahve s vodou v mrazu, zejména v uzavřeném stavu.
Teplotní rozdíl zvyšuje tlak
Když voda zmrzne, dojde ke zvýšení jejího objemu. Voda, která se přeměňuje na led, se zvyšuje o přibližně 9%. To je způsobeno zvláštnostmi krystalické struktury ledu. Voda-led tvoří nerovnoměrnou strukturu, která vyžaduje více prostoru pro umístění molekul.
Během procesu zamrznutí se voda rozšiřuje a vytváří tlak na předměty, které ji obklopují. Pokud je voda uvnitř uzavřené nádoby, jako je láhev, může být pod vážným tlakem, protože se nemůže volně rozšiřovat.
Rozdíl v teplotě mezi zmrzlou vodou a okolím hraje důležitou roli. Při mrazu voda ztrácí teplo a ochlazuje se. Tlak, který vyvíjí na stěny nádoby, se může zvýšit, protože zamrzlá voda se stále smršťuje. Pokud je rozdíl v teplotě příliš velký, tlak může být tak silný, že způsobí prasknutí láhve nebo jiné nádoby.
Teplotní rozdíl mezi zmrzlou vodou a okolím, v kombinaci se zvýšeným objemem vody při zamrznutí, tedy vytváří dostatečný tlak, aby láhev praskla. Tento jev vysvětluje, proč může voda způsobit tak ničivé účinky, když mrzne.
Materiál láhve není odolný vůči teplotním změnám
V případě zamrznutí vody uvnitř láhve může být příčinou rozžhavení materiál, ze kterého je láhev vyrobena, k extrémním teplotním výkyvům.
Když voda zmrzne, zvýší svůj objem asi o 9%. To vede k vytvoření obrovského tlaku uvnitř láhve. Pokud materiál láhve není schopen tento tlak vydržet, může se stát neprůchodným a rozbít se.
Materiály, které dobře snášejí teplotní rozdíly, mají obvykle vysokou odolnost proti destrukci. Některé plastové materiály, jako je polypropylen nebo polyethylen, mají vlastnosti, které je činí odolnějšími a odolnějšími vůči změnám objemu, když voda zmrzne.
Skleněné nebo křehké plastové lahve však mohou být náchylné k prasknutí, když voda zmrzne. Proto se při výběru láhve pro skladování kapalin v podmínkách, kde je možnost zamrznutí, doporučuje věnovat pozornost materiálu, ze kterého je vyrobena.
LED proniká do mikroskopických defektů lahve
Při zamrznutí může voda rozbít láhev kvůli svým jedinečným fyzikálním vlastnostem. Když voda zmrzne, její objem se zvýší o přibližně 9%, což může vytvořit obrovský tlak uvnitř uzavřené nádoby. To však není jediný důvod, proč se led do láhve dostal.
Na povrchu lahve jsou mikroskopické vady, které mohou být pouhým okem neviditelné. Mohou to být nepravidelnosti ve struktuře materiálu, oděrky nebo malé trhliny. Voda zamrznutím proniká do těchto defektů a vytváří další tlak, což způsobí, že se láhev může rozbít nebo rozbít.
Navíc, když voda zmrzne, vytvoří krystalickou mřížku, která může být velmi odolná. Malé praskliny nebo vady se mohou stát bodem začátku rozbití láhve a LED bude nadále pronikat dovnitř, což zvýší tlak a způsobí další destrukci.
Je důležité poznamenat, že ne všechny lahve se při zamrznutí vody rozbijí. Některé lahve jsou vyrobeny z odolných materiálů, jako je sklo nebo plast, které mají větší odolnost vůči ledu. Pokud jsou však na povrchu mikroskopické vady, mohou být při zamrznutí vody náchylné k destrukci i odolné materiály.
Výzkum a pochopení důvodů, proč voda při zamrznutí rozbije láhev, pomáhá vyvinout a zlepšit materiály, které budou odolnější vůči působení ledu. To je důležité nejen pro výrobce lahví, ale pro všechny, kteří se s tímto fenoménem setkávají v každodenním životě.
Okamžik tání ledu způsobuje prasknutí stěn
Celá vychytávka spočívá v tom, že voda při zamrznutí pevně zabalí molekuly do ledu a zabere méně místa než v původním kapalném stavu. To nejzajímavější se stane, když se led začne tát. Okamžik tání ledu je charakterizován prudkým zvýšením objemu vody, což vede k vysokým tlakům uvnitř láhve.
Úsilí, které vzniká ve fázi tání ledu, vyvíjí obrovský tlak na stěny nádoby. V důsledku dalšího rozšíření vody nemusí stěny láhve vydržet tento vnější tlakový faktor a rozpadnout se pod tvrdým vlivem. Často je vidět, že láhev je rozdělená podél slabých linií, jako jsou křivky, praskliny nebo již existující mikrotrhliny, které se rozštěpí působením síly.
Toto vědecké vysvětlení slouží jako důkaz, že led je schopen zničit i odolné materiály. Zamrzání vody je dynamický proces, který je třeba mít na paměti, když se rozhodnete skladovat vodu v nádobě během mrazu. Upozornění: LED může rozbít sklo, kov a další materiály!