Article sobre el comportament anòmal de l'aigua per sota dels 4 °C
Cada objecte s'expandeix (el volum dels objectes augmenta) quan augmenta la temperatura, i els objectes es contrauen (el volum dels objectes disminueix) quan disminueix la temperatura. L'aigua també s'expandeix quan augmenta la temperatura i es contrau quan disminueix la temperatura, però no a 0 ° C – 4 ° C. Entre 0 °C i 4 °C, el volum d'aigua disminueix (l'aigua es contrau) a mesura que augmenta la temperatura. Si escalfem l'aigua a 0 ° C, l'aigua s'escalfa més, el volum d'aigua disminueix. El procés de contracció s'atura quan l'aigua arriba als 4 ° C. Per sobre dels 4 ° C, el volum d'aigua augmenta a mesura que augmenta la temperatura. En canvi, l'aigua s'expandeix (el volum d'aigua augmenta) quan la temperatura disminueix de 4 ° C a 0 ° C.
Per exemple, posem aigua a 30 ° C al congelador. Quan és al congelador, la temperatura de l'aigua disminueix. Quan la temperatura de l'aigua disminueix, el volum d'aigua també disminueix (l'aigua es contrau). Quan arriba als 4 ° C, l'aigua comença a expandir-se (el volum d'aigua augmenta). L'expansió de l'aigua s'atura quan la temperatura arriba als 0 °C. A diferència d'altres objectes, que continuen encongint-se (el volum dels objectes disminueix) quan la temperatura de l'objecte disminueix a 0 ° C. Quan els objectes es contrauen (el volum dels objectes disminueix), la densitat augmenta. Per contra, quan els objectes s'expandeixen (el volum dels objectes augmenta), la densitat disminueix. Fórmula de la densitat = massa / volum. La massa dels objectes sempre és fixa. Mentre que el volum pot canviar, depenent de la temperatura. L'aigua es contrau (el volum d'aigua disminueix) només a 4 ° C, per tant, l'aigua té la densitat més alta a 4 ° C.
Els beneficis de les anomalies de l'aigua es noten a les zones que tenen hivern. Quan arriba l'hivern, la temperatura de l'aire disminueix. L'aigua surt a la superfície en contacte amb l'aigua, de manera que la temperatura de l'aigua a la superfície del riu o del llac també es redueix. Com que la temperatura de l'aigua disminueix, el volum d'aigua també disminueix. Com que el volum d'aigua disminueix, la densitat de l'aigua augmenta. L'aigua a la superfície té una densitat més gran que l'aigua que hi ha a sota. Com que té una densitat més gran, l'aigua a la superfície es mou cap avall (s'enfonsa). L'aigua que hi ha a sota té una densitat més gran, de manera que es mou cap amunt (flota). Aquest procés es produeix fins que la temperatura de l'aigua arriba als 4 ° C. Per tant, l'aigua té la densitat més alta a 4 ° C.
Quan la temperatura de l'aigua a la superfície d'un riu o llac baixa de 4 ° C, l'aigua a la superfície s'expandeix (el volum d'aigua augmenta). Perquè a mesura que augmenta el volum d'aigua, la densitat de l'aigua disminueix. La densitat de l'aigua a la superfície és més petita que la densitat de l'aigua al fons, de manera que l'aigua a la superfície no pot caure. L'aigua a la superfície roman a sobre i es congela primer a mesura que la temperatura de l'aigua disminueix a 0 °C. A causa del seu contacte amb l'aigua a la superfície, l'aigua sota la superfície també comença a congelar-se a mesura que la temperatura de l'aigua disminueix a 0 ° C. I així successivament. Així doncs, el procés de congelació comença a partir de l'aigua a la superfície. L'aigua al fons del llac o riu normalment no es congela perquè la temperatura de l'aire no és congelant. Com que l'aigua al fons no es congela, els peixos i els éssers vius que es troben al fons del llac o del riu romanen vius durant l'hivern.
L'aigua presenta molts comportaments anòmals a causa de la seva estructura molecular única i la naturalesa dels enllaços d'hidrogen entre les seves molècules. Una de les més significatives d'aquestes anomalies és el comportament de la densitat de l'aigua a mesura que es refreda, especialment quan la temperatura s'acosta al punt de congelació. Aquí teniu un resum d'aquest fenomen:
- Densitat i temperaturaLa majoria de les substàncies es tornen més denses a mesura que es refreden i menys denses a mesura que s'escalfen. Això és degut a que les partícules s'acosten més quan es refreden i s'allunyen més quan s'escalfen.
- Anomalia de l'aiguaL'aigua, però, es comporta de manera diferent prop del seu punt de congelació. Tot i que es torna més densa a mesura que es refreda des de la temperatura ambient, aquesta tendència s'inverteix a uns 4 °C. Per sota dels 4 °C, l'aigua es torna menys densa a mesura que es refreda, fins que arriba als 0 °C i es congela.
- Formació de gelEl gel té una estructura reticular hexagonal a causa de l'orientació dels enllaços d'hidrogen. Aquesta estructura fa que el gel sigui menys dens que l'aigua líquida. És per això que el gel flota sobre l'aigua.
- Importància ecològicaAquest comportament anòmal és crucial per a la vida aquàtica. Quan l'aigua superficial es refreda a l'hivern, es torna més densa i s'enfonsa fins que la temperatura arriba als 4 °C. Per sota d'aquesta temperatura, a mesura que l'aigua continua refredant-se, roman a la superfície i finalment es congela. Això provoca la formació de gel a la superfície mentre que l'aigua que hi ha a sota roman líquida, cosa que permet que la vida aquàtica sobrevisqui. Si el gel fos més dens que l'aigua líquida (com la majoria dels sòlids són més densos que la seva forma líquida), s'enfonsaria al fons, cosa que provocaria que tota la massa d'aigua es congelés sòlidament, cosa que seria catastròfica per als ecosistemes aquàtics.
- Causa de l'anomaliaLa raó d'aquest comportament anòmal rau en els enllaços d'hidrogen entre les molècules d'aigua. A mesura que l'aigua es refreda cap als 4 °C, els enllaços d'hidrogen s'ajusten per mantenir les molècules d'aigua en una estructura més estesa, fent-la més densa. Però per sota dels 4 °C, la tendència de l'aigua a adoptar l'estructura hexagonal que conté al gel esdevé predominant. Aquesta estructura és més oberta i menys densa, cosa que porta a la disminució observada de la densitat a mesura que l'aigua es refreda per sota dels 4 °C.
Comprendre aquest comportament de l'aigua no només és acadèmicament interessant, sinó que és vital per comprendre molts processos ecològics i ambientals.
