رفتار غیرعادی آب در دمای زیر ۴ درجه سانتی‌گراد

مقاله درباره رفتار غیرعادی آب در دمای زیر ۴ درجه سانتیگراد

هر جسمی با افزایش دما منبسط می‌شود (حجم اجسام افزایش می‌یابد) و با کاهش دما منقبض می‌شود (حجم اجسام کاهش می‌یابد). آب نیز با افزایش دما منبسط و با کاهش دما منقبض می‌شود، اما نه در دمای ۰ تا ۴ ^{درجه سانتیگراد} . بین ۰ تا ۴ درجه سانتیگراد، حجم آب با افزایش دما کاهش می‌یابد (آب منقبض می‌شود). اگر آب را در دمای ۰ ^درجه سانتیگراد گرم کنیم، آب داغ‌تر می‌شود و حجم آب کاهش می‌یابد. فرآیند انقباض وقتی آب به ۴ ^درجه سانتیگراد می‌رسد متوقف می‌شود. بالاتر از ۴ ^{درجه سانتیگراد، حجم آب با افزایش دما افزایش می‌یابد. در عوض، وقتی دما از ۴ درجه} سانتیگراد به ۰ ^درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد، آب منبسط می‌شود (حجم آب افزایش می‌یابد).

^{برای مثال، آب را در دمای 30 درجه} سانتیگراد در فریزر قرار می‌دهیم . وقتی در فریزر قرار می‌گیرد، دمای آب کاهش می‌یابد. وقتی دمای آب کاهش می‌یابد، حجم آب نیز کاهش می‌یابد (آب منقبض می‌شود). وقتی به 4 ^درجه سانتیگراد می‌رسد، آب شروع به انبساط می‌کند (حجم آب افزایش می‌یابد). انبساط آب وقتی دما به 0 درجه سانتیگراد می‌رسد متوقف می‌شود. برخلاف سایر اجسام که وقتی دمای جسم به 0 ^درجه سانتیگراد کاهش می‌یابد، همچنان منقبض می‌شوند (حجم اجسام کاهش می‌یابد). وقتی اجسام منقبض می‌شوند (حجم اجسام کاهش می‌یابد)، چگالی افزایش می‌یابد. برعکس، وقتی اجسام منبسط می‌شوند (حجم اجسام افزایش می‌یابد)، چگالی کاهش می‌یابد. فرمول چگالی = جرم / حجم. جرم اجسام همیشه ثابت است. در حالی که حجم می‌تواند بسته به دما تغییر کند. آب فقط تا 4 درجه سانتیگراد منقبض می‌شود (حجم آب کاهش می‌یابد) ^{، بنابراین، آب در دمای 4 درجه} سانتیگراد بالاترین چگالی را دارد.

مزایای ناهنجاری‌های آب در مناطقی که زمستان دارند، احساس می‌شود. وقتی زمستان از راه می‌رسد، دمای هوا کاهش می‌یابد. سطوح آب در تماس با آب، بنابراین دمای آب روی سطح رودخانه یا دریاچه نیز کاهش می‌یابد. از آنجا که دمای آب کاهش می‌یابد، حجم آب نیز کاهش می‌یابد. از آنجا که حجم آب کاهش می‌یابد، چگالی آب افزایش می‌یابد. آب روی سطح، چگالی بیشتری نسبت به آب زیرین دارد. از آنجا که چگالی بیشتری دارد، آب روی سطح به پایین حرکت می‌کند (غرق می‌شود). آب زیرین چگالی بیشتری دارد، بنابراین به بالا حرکت می‌کند (شناور می‌شود). این فرآیند تا زمانی که دمای آب به ۴ ^{درجه سانتیگراد برسد، ادامه می‌یابد. بنابراین، آب در دمای ۴ درجه} سانتیگراد بیشترین چگالی را دارد.

وقتی دمای آب روی سطح رودخانه یا دریاچه کمتر از ۴ درجه سانتیگراد شود ^، آب روی سطح منبسط می‌شود (حجم آب افزایش می‌یابد). زیرا با افزایش حجم آب، چگالی آب کاهش می‌یابد. چگالی آب روی سطح کمتر از چگالی آب در کف است، به طوری که آب روی سطح نمی‌تواند سقوط کند. آب روی سطح در بالا باقی می‌ماند و ابتدا با کاهش دمای آب به ۰ درجه سانتیگراد یخ می‌زند. به دلیل تماس آن با آب روی سطح، آب زیر سطح نیز با کاهش دمای آب به ۰ درجه ^{سانتیگراد} شروع به یخ زدن می‌کند . به همین ترتیب. بنابراین، فرآیند یخ زدن از آب روی سطح شروع می‌شود. آب در کف دریاچه یا رودخانه معمولاً یخ نمی‌زند زیرا دمای هوا یخ نمی‌زند. از آنجا که آب در کف یخ نمی‌زند، ماهی‌ها و موجودات زنده‌ای که در کف دریاچه یا رودخانه هستند در طول زمستان زنده می‌مانند.

آب به دلیل ساختار مولکولی منحصر به فرد و ماهیت پیوند هیدروژنی بین مولکول‌هایش، رفتارهای غیرعادی زیادی از خود نشان می‌دهد. یکی از مهم‌ترین این ناهنجاری‌ها، رفتار چگالی آب هنگام سرد شدن است، به خصوص هنگامی که دما به نقطه انجماد نزدیک می‌شود. در اینجا خلاصه‌ای از این پدیده آورده شده است:

1. چگالی و دمابیشتر مواد با سرد شدن چگال‌تر و با گرم شدن چگال‌تر می‌شوند. دلیل این امر این است که ذرات هنگام سرد شدن به هم نزدیک‌تر و هنگام گرم شدن از هم دورتر می‌شوند.
2. ناهنجاری آببا این حال، آب در نزدیکی نقطه انجماد خود رفتار متفاوتی دارد. اگرچه با سرد شدن از دمای اتاق، چگالی آن افزایش می‌یابد، اما این روند در حدود ۴ درجه سانتیگراد معکوس می‌شود. در دمای پایین‌تر از ۴ درجه سانتیگراد، چگالی آب با سردتر شدن کاهش می‌یابد تا اینکه به ۰ درجه سانتیگراد می‌رسد و یخ می‌زند.
3. تشکیل یخ: یخ به دلیل جهت گیری پیوندهای هیدروژنی، ساختار شبکه ای شش ضلعی دارد. این ساختار باعث می شود یخ چگالی کمتری نسبت به آب مایع داشته باشد. به همین دلیل است که یخ روی آب شناور می شود.
4. اهمیت اکولوژیکیاین رفتار غیرعادی برای حیات آبزیان بسیار مهم است. وقتی آب سطحی در زمستان سرد می‌شود، چگال‌تر می‌شود و تا رسیدن به دمای ۴ درجه سانتی‌گراد پایین می‌رود. در دمای پایین‌تر از این دما، با ادامه سرد شدن آب، آب در سطح باقی می‌ماند و در نهایت یخ می‌زند. این امر منجر به تشکیل یخ روی سطح می‌شود در حالی که آب زیرین مایع باقی می‌ماند و به حیات آبزیان اجازه بقا می‌دهد. اگر یخ چگال‌تر از آب مایع بود (مانند اکثر جامدات که چگال‌تر از شکل مایع خود هستند)، به پایین فرو می‌رفت و منجر به یخ زدن کل حجم آب می‌شد که برای اکوسیستم‌های آبی فاجعه‌بار خواهد بود.
5. علت ناهنجاریدلیل این رفتار غیرعادی در پیوند هیدروژنی بین مولکول‌های آب نهفته است. با سرد شدن آب تا دمای ۴ درجه سانتی‌گراد، پیوندهای هیدروژنی طوری تنظیم می‌شوند که مولکول‌های آب را در ساختاری گسترده‌تر نگه دارند و آن را چگال‌تر کنند. اما در دمای پایین‌تر از ۴ درجه سانتی‌گراد، تمایل آب برای اتخاذ ساختار شش‌ضلعی که در یخ وجود دارد، غالب می‌شود. این ساختار بازتر و چگال‌تر است و منجر به کاهش چگالی مشاهده‌شده با سرد شدن آب تا دمای زیر ۴ درجه سانتی‌گراد می‌شود.

درک این رفتار آب نه تنها از نظر آکادمیک جالب است، بلکه برای درک بسیاری از فرآیندهای اکولوژیکی و محیطی نیز حیاتی است.