Tabla de Contenidos
Temperatura zamarzania lub temperatura krzepnięcia cieczy odpowiada charakterystycznej temperaturze przy danym ciśnieniu, przy której ciecz przechodzi w stan stały. Innymi słowy, jest to temperatura, w której zachodzi proces krzepnięcia lub zamrażania cieczy, takiej jak woda.
Zasadniczo ta zmiana fazy jest zmianą odwracalną, która może osiągnąć równowagę z procesem odwrotnym, który nazywa się fuzją. Na przykład w przypadku wody:
Z tego powodu punkt zamarzania wody można również zdefiniować jako temperaturę, w której ustala się równowaga fazowa między wodą stałą i ciekłą pod ciśnieniem, przy którym znajduje się układ .
Ponieważ istnieje równowaga między topnieniem a zestalaniem, wówczas temperatura zamarzania okazuje się taka sama jak temperatura topnienia.
Punkt zamarzania a normalny punkt zamarzania wody
Należy wyjaśnić, że temperatura zamarzania dowolnej substancji nie jest stałą wielkością, ponieważ zależy od ciśnienia, przy którym znajduje się układ. Oznacza to, że na przykład woda nie będzie się topić w tej samej temperaturze na poziomie morza, gdzie ciśnienie wynosi około 1 atm, jak na górze na wysokości 2000 m n.p.m., gdzie ciśnienie jest mniejsze niż 0,8 atm.
To samo można powiedzieć o innych przemianach fazowych, a efekt jest jeszcze gorszy dla temperatury wrzenia niż dla samej temperatury zamarzania.
Warto jednak zapytać, dlaczego w takim razie mówi się o „punktach zamarzania”, jakby był tylko jeden? Powód jest bardzo prosty. Aby uniknąć nieporozumień, ustalono pojęcie normalnej temperatury zamarzania lub topnienia , co odpowiada temperaturze zamarzania pod ciśnieniem dokładnie 1 atm. Ten punkt zamarzania jest unikalny i charakterystyczny dla każdej czystej substancji. Istnieje równoważna koncepcja temperatury wrzenia i temperatury sublimacji.
Więc kiedy mówimy o punkcie zamarzania wody, prawie zawsze mamy na myśli normalny punkt zamarzania.
Jaka jest temperatura zamarzania lub topnienia wody?
Punkt zamarzania wody pod normalnym ciśnieniem 1 atmosfery (czyli normalny punkt zamarzania wody) jest dokładnie temperaturą odniesienia w skali Celsjusza, a zatem jest wart 0°C. Z drugiej strony, kiedy Fahrenheit ustalał skalę temperatur, która nosi jego imię, jako punkt odniesienia przyjął najniższą temperaturę, jaką mógł zarejestrować, której przypisał wartość 0°F, a następnie temperaturę topnienia, czyli zamarzania wody o temperaturze 32°F.
Oprócz tych dwóch popularnych jednostek temperatury istnieją jeszcze dwie inne, które są równie ważne, a mianowicie bezwzględna skala temperatury Kelvina i skala Rankine’a. Poniższa tabela przedstawia temperaturę zamarzania wody w czterech wspomnianych skalach temperatur:
| Skala | punkt zamarzania wody |
| Celsjusza (°C) | 0°C |
| Kelwin (K) | 273,15 tys |
| Fahrenheita (°F) | 32°F |
| Rankine’a (°R) | 491,67°R |
Czynniki wpływające na temperaturę zamarzania wody
Presja
Widzieliśmy już, że ciśnienie może wpływać na temperaturę zamarzania wody. W tym przypadku im wyższe ciśnienie, tym niższa temperatura zamarzania, ponieważ woda w stanie ciekłym jest gęstsza niż lód. W przypadku innych substancji dzieje się odwrotnie. Jednak ogólny efekt jest dość mały.
Aby zaobserwować wpływ ciśnienia na temperaturę zamarzania wody, przedstawiono go w poniższej tabeli przy kilku różnych ciśnieniach.
| Ciśnienie (atmosfery) | Tf ( °C) | Tf ( °F) | Tf ( K) | Tf ( °R) |
| 0,01 | 0 | 32 | 273,20 | 491,70 |
| 0,1 | 0 | 32 | 273,20 | 491,70 |
| 1 | 0 | 32 | 273,15 | 491,67 |
| 10 | -0,1 | 31,9 | 273.10 | 491,60 |
| 100 | -0,8 | 30.6 | 272,40 | 490,30 |
substancje rozpuszczone lub zanieczyszczenia
Oprócz ciśnienia temperatura zamarzania wody może się różnić ze względu na obecność w niej zanieczyszczeń lub rozpuszczonych substancji rozpuszczonych. Jest to konsekwencją koligatywnej właściwości rozwiązań zwanej „obniżeniem punktu zamarzania”. Im wyższe całkowite stężenie substancji rozpuszczonych (lub zanieczyszczeń), tym niższa temperatura zamarzania wody. Właściwość ta jest wykorzystywana do topienia lodu na drogach po opadach śniegu i zapobiegania zamarzaniu ciekłej wody wewnątrz silników zimą.
Poniższa tabela przedstawia temperaturę zamarzania lub topnienia wody pod ciśnieniem 1 atmosfery, ale przy różnych stężeniach soli kuchennej (NaCl):
| Stężenie NaCl (%m/m) | Tf ( °C) | Tf ( °F) | Tf ( K) | Tf ( °R) |
| 0 | 0 | 32 | 273,15 | 491,67 |
| 0,5 | -0,3 | 31.46 | 272,85 | 491.13 |
| 1 | -0,59 | 30,94 | 272,56 | 490,61 |
| 2 | -1.19 | 29.86 | 271,96 | 489,53 |
| 3 | -1,79 | 28.78 | 271,36 | 488,45 |
| 4 | -2,41 | 27.66 | 270,74 | 487,33 |
| 5 | -3.05 | 26.51 | 270.1 | 486.18 |
| 6 | -3,7 | 25.34 | 269,45 | 485.01 |
| 7 | -4,38 | 24.12 | 268,77 | 483,79 |
| 8 | -5.08 | 22.86 | 268.07 | 482,53 |
| 9 | -5,81 | 21.54 | 267,34 | 481.21 |
| 10 | -6,56 | 20.19 | 266,59 | 479,86 |
| 12 | -8.18 | 17.28 | 264,97 | 476,95 |
| 14 | -9,94 | 14.11 | 263.21 | 473,78 |
| 16 | -11,89 | 10.6 | 261,26 | 470,27 |
| 18 | -14.04 | 6.73 | 259.11 | 466,4 |
| 20 | -16.46 | 2.37 | 256,69 | 462.04 |
| 26 | -19.18 | -2,52 | 253,97 | 457.15 |
Jak widać, stężenie soli może silnie wpłynąć na temperaturę zamarzania wody i obniżyć ją o 20°C lub nawet więcej.
Bibliografia
Chang, R. (2008). Chemia fizyczna ( wyd . 1). Nowy Jork, Nowy Jork: McGraw Hill.
Zestaw narzędzi inżynierskich. (nd). Lód / Woda – Punkty topnienia przy wyższym ciśnieniu. Pobrano 15 czerwca 2021 r. z https://www.engineeringtoolbox.com/water-melting-temperature-point-pressure-d_2005.html?vA=40&units=B#
właściwości koligatywne. (2020, 30 października). Pobrano 29 czerwca 2021 r. z https://espanol.libretexts.org/@go/page/1889
