Cikk a 4°C alatti víz rendellenes viselkedéséről
Minden tárgy kitágul (a tárgyak térfogata nő), amikor a hőmérséklet emelkedik, és a tárgyak összezsugorodnak (a tárgyak térfogata csökken), amikor a hőmérséklet csökken. A víz is kitágul, amikor a hőmérséklet emelkedik, és zsugorodik, amikor a hőmérséklet csökken, de nem 0 ° C és 4 ° C között. 0 °C és 4 °C között a víz térfogata csökken (a víz zsugorodik) a hőmérséklet emelkedésével. Ha 0 ° C -ra melegítjük a vizet , a víz melegszik, a víz térfogata csökken. A zsugorodási folyamat leáll, amikor a víz eléri a 4 ° C-ot. 4 ° C felett a víz térfogata növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Ehelyett a víz kitágul (a víz térfogata növekszik), amikor a hőmérséklete 4 ° C-ról 0 ° C -ra csökken.
Például 30 ° C-os vizet teszünk a fagyasztóba. Amikor a fagyasztóban van, a víz hőmérséklete csökken. Amikor a víz hőmérséklete csökken, a víz térfogata is csökken (a víz zsugorodik). Amikor eléri a 4 ° C-ot, a víz tágulni kezd (a víz térfogata növekszik). A víz tágulása megáll, amikor a hőmérséklet eléri a 0 °C-ot. Ellentétben más tárgyakkal, amelyek tovább zsugorodnak (a tárgyak térfogata csökken), amikor a tárgy hőmérséklete 0 ° C-ra csökken. Amikor a tárgyak zsugorodnak (a tárgyak térfogata csökken), a sűrűség növekszik. Fordítva, amikor a tárgyak tágulnak (a tárgyak térfogata növekszik), a sűrűség csökken. A sűrűség képlete = tömeg / térfogat. A tárgyak tömege mindig állandó. Míg a térfogat a hőmérséklettől függően változhat. A víz csak 4 ° C-ig zsugorodik (a víz térfogata csökken), ezért a víz 4 ° C -on a legnagyobb sűrűségű.
A vízanomáliák előnyei azokon a területeken érezhetők, ahol tél van. A tél beköszöntével a levegő hőmérséklete csökken. A vízfelületek vízzel érintkeznek, így a folyó vagy tó felszínén lévő víz hőmérséklete is csökken. Mivel a víz hőmérséklete csökken, a víz térfogata is csökken. Mivel a víz térfogata csökken, a víz sűrűsége növekszik. A felszínen lévő víz sűrűsége nagyobb, mint az alatta lévő vízé. Mivel nagyobb a sűrűsége, a felszínen lévő víz lefelé mozdul (süllyed). Az alatta lévő víz sűrűsége nagyobb, ezért felfelé mozdul (lebeg). Ez a folyamat addig tart, amíg a víz hőmérséklete el nem éri a 4 ° C-ot. Ezért a víz sűrűsége 4 ° C -on a legnagyobb.
Amikor a folyó vagy tó felszínén lévő víz hőmérséklete 4 ° C alá csökken, akkor a felszínen lévő víz kitágul (a víz térfogata növekszik). Mivel a víz térfogatának növekedésével a víz sűrűsége csökken, a víz sűrűsége csökken. A felszínen lévő víz sűrűsége kisebb, mint a fenéken lévő víz sűrűsége, így a felszínen lévő víz nem tud lesüllyedni. A felszínen lévő víz a felszínen marad, és először megfagy, amikor a víz hőmérséklete 0 °C-ra csökken. Mivel érintkezik a felszínen lévő vízzel, a felszín alatti víz is elkezd fagyni, amikor a víz hőmérséklete 0 ° C-ra csökken. Így tovább. Tehát a fagyási folyamat a felszínen lévő vízből indul ki. A tó vagy folyó alján lévő víz általában nem fagy meg, mert a levegő hőmérséklete nem fagypont alatti. Mivel a fenéken lévő víz nem fagy meg, a tó vagy folyó alján lévő halak és élőlények életben maradnak télen.
A víz számos anomáliás viselkedést mutat egyedi molekuláris szerkezete és a molekulái közötti hidrogénkötések természete miatt. Ezen anomáliák egyik legjelentősebbike a víz sűrűségének viselkedése hűlés közben, különösen akkor, amikor a hőmérséklet megközelíti a fagyáspontot. Íme a jelenség rövid leírása:
- Sűrűség és hőmérsékletA legtöbb anyag hűlés közben sűrűbbé, melegítés közben pedig kisebbé válik. Ez azért van, mert a részecskék hűtés közben közelebb, melegítés közben pedig távolabb kerülnek egymástól.
- A víz anomáliájaA víz azonban másképp viselkedik a fagyáspontja közelében. Bár szobahőmérsékletről hűlve sűrűbbé válik, ez a tendencia 4°C körül megfordul. 4°C alatt a víz sűrűsége csökken, ahogy hidegebb lesz, amíg el nem éri a 0°C-ot és megfagy.
- JégképződésA jég hatszögletű rácsszerkezettel rendelkezik a hidrogénkötések orientációja miatt. Ez a szerkezet kevésbé sűrűvé teszi a jeget, mint a folyékony vizet. Ezért úszik a jég a víz felszínén.
- Ökológiai jelentőségeEz az anomáliás viselkedés kulcsfontosságú a vízi élővilág számára. Amikor a felszíni víz télen lehűl, sűrűbbé válik és süllyed, amíg a hőmérséklete el nem éri a 4°C-ot. Ezen hőmérséklet alatt, ahogy a víz tovább hűl, a felszínen marad, és végül megfagy. Ez jégképződéshez vezet a felszínen, míg az alatta lévő víz folyékony marad, lehetővé téve a vízi élőlények túlélését. Ha a jég sűrűbb lenne, mint a folyékony víz (ahogy a legtöbb szilárd anyag sűrűbb, mint a folyékony formája), akkor az aljára süllyedne, ami a teljes víztest szilárd halmazállapotúvá fagyásához vezetne, ami katasztrofális lenne a vízi ökoszisztémákra nézve.
- Az anomália okaEnnek az anomáliás viselkedésnek az oka a vízmolekulák közötti hidrogénkötésekben rejlik. Ahogy a víz 4°C felé hűl, a hidrogénkötések alkalmazkodnak, hogy a vízmolekulákat egy kitágabb szerkezetben tartsák, így sűrűbbé téve azt. 4°C alatt azonban a víz hajlamos a jégben található hatszögletű szerkezetet felvenni. Ez a szerkezet nyitottabb és kevésbé sűrű, ami a víz 4°C alá hűlésekor megfigyelt sűrűségcsökkenéshez vezet.
A víz ezen viselkedésének megértése nemcsak tudományos szempontból érdekes – létfontosságú számos ökológiai és környezeti folyamat megértéséhez.
