Grein um óeðlilega hegðun vatns undir 4°C
Hver hlutur þenst út (rúmmál hluta eykst) þegar hitastigið hækkar og hlutir skreppa saman (rúmmál hluta minnkar) þegar hitastigið lækkar. Vatn þenst einnig út þegar hitastigið hækkar og skreppa saman þegar hitastigið lækkar, en ekki við 0. oC - 4 oC. Á milli 0°C og 4°C minnkar vatnsrúmmálið (vatnið skreppur saman) þegar hitastigið hækkar. Ef við hitum vatnið við 0 oC, vatnið hitnar og vatnsrúmmálið minnkar. Rýrnunarferlið hættir þegar vatnið nær 4°C. oC. Yfir 4 oC, rúmmál vatns eykst með hækkandi hitastigi. Í staðinn þenst vatn út (rúmmál vatns eykst) þegar hitastigið lækkar úr 4°C. oC til 0 oC.
Til dæmis setjum við vatn á 30 oC í frystinum. Þegar vatnið er í frystinum lækkar hitastig vatnsins. Þegar hitastig vatnsins lækkar minnkar einnig vatnsrúmmálið (vatnið skreppur saman). Þegar það nær 4°C oC, vatnið byrjar að þenjast út (rúmmál vatns eykst). Þensla vatns hættir þegar hitastigið nær 0°C. Ólíkt öðrum hlutum sem halda áfram að minnka (rúmmál hluta minnkar) þegar hitastig hlutarins lækkar niður í 0 oC. Þegar hlutir minnka (rúmmál hluta minnkar) eykst eðlisþyngdin. Aftur á móti, þegar hlutir þenjast út (rúmmál hluta eykst), minnkar eðlisþyngdin. Formúla eðlisþyngdar = massi / rúmmál. Massi hluta er alltaf fastur. Þó getur rúmmálið breyst eftir hitastigi. Vatnið minnkar (rúmmál vatns minnkar) aðeins um 4 oC, því hefur vatn mesta eðlisþyngd við 4 oC.
Ávinningurinn af vatnsfrávikum gætir á svæðum þar sem vetur er í gangi. Þegar veturinn kemur lækkar lofthitinn. Vatn kemst í snertingu við vatn, þannig að vatnshitinn á yfirborði árinnar eða vatnsins lækkar einnig. Vegna þess að vatnshitinn lækkar minnkar einnig rúmmál vatnsins. Vegna þess að rúmmál vatns minnkar eykst eðlisþyngd þess. Vatn á yfirborðinu hefur meiri eðlisþyngd en vatnið fyrir neðan. Vegna þess að það hefur meiri eðlisþyngd sekkur vatnið á yfirborðinu niður. Vatnið fyrir neðan hefur meiri eðlisþyngd, þannig að það færist upp (fljótar). Þetta ferli á sér stað þar til vatnshitinn nær 4°C. oC. Þess vegna hefur vatn mesta eðlisþyngd við 4 oC.
Þegar hitastig vatnsins á yfirborði árinnar eða vatnsins verður lægra en 4 gráður oC, þá þenst vatnið á yfirborðinu út (rúmmál vatns eykst). Því þegar rúmmál vatns eykst, minnkar eðlisþyngd þess. Eðlisþyngd vatns á yfirborðinu er minni en eðlisþyngd vatns neðst, þannig að vatnið á yfirborðinu getur ekki fallið niður. Vatnið á yfirborðinu helst fyrir ofan og frýs fyrst þegar hitastig vatnsins lækkar niður í 0°C. Vegna snertingar þess við vatnið á yfirborðinu byrjar vatnið undir yfirborðinu einnig að frjósa þegar hitastig vatnsins lækkar niður í 0 oC. Svo framvegis. Þannig að frostferlið byrjar á yfirborðinu. Vatn á botni vatnsins eða árinnar frýs venjulega ekki vegna þess að lofthitinn er ekki frost. Vegna þess að vatnið á botninum frýs ekki, halda fiskarnir og lífverurnar sem eru á botni vatnsins eða árinnar lífi yfir veturinn.
Vatn sýnir margar óeðlilegar hegðunir vegna einstakrar sameindabyggingar sinnar og eðlis vetnistengja milli sameindanna. Ein af þessum mikilvægustu frávikum er hegðun eðlisþyngdar vatns þegar það kólnar, sérstaklega þegar hitastigið nálgast frostmark. Hér er yfirlit yfir þetta fyrirbæri:
- Þéttleiki og hitastigFlest efni verða eðlisþyngdari þegar þau kólna og eðlisþyngdarminna þegar þau hitna. Þetta er vegna þess að agnir færast nær hvor annarri þegar þær kólna og fjær hvor annarri þegar þær hitna.
- Frávik vatnsinsVatn hegðar sér hins vegar öðruvísi nálægt frostmarki. Þótt það verði eðlisþyngdara þegar það kólnar frá stofuhita snýst þessi þróun við við um 4°C. Undir 4°C verður vatn eðlisþyngdarminnkaðara þegar það kólnar, þar til það nær 0°C og frýs.
- ÍsmyndunÍs hefur sexhyrnda grindarbyggingu vegna stefnu vetnistengja. Þessi uppbygging gerir ís minna eðlisþyngd en fljótandi vatn. Þess vegna flýtur ís á vatni.
- Vistfræðileg þýðingÞessi óeðlilega hegðun er mikilvæg fyrir líf í vatni. Þegar yfirborðsvatn kólnar á veturna verður það þéttara og sekkur þar til hitastigið nær 4°C. Undir þessu hitastigi, þegar vatnið heldur áfram að kólna, helst það á yfirborðinu og frýs að lokum. Þetta leiðir til þess að ís myndast á yfirborðinu en vatnið fyrir neðan helst fljótandi, sem gerir lífríkjum í vatni kleift að lifa af. Ef ís væri þéttari en fljótandi vatn (eins og flest föst efni eru þéttari en fljótandi form þeirra), myndi hann sökkva til botns, sem leiddi til þess að allt vatnið frýs á föstu formi, sem væri hörmulegt fyrir vistkerfi í vatni.
- Orsök fráviksinsÁstæðan fyrir þessari óeðlilegu hegðun liggur í vetnistengjum milli vatnssameinda. Þegar vatn kólnar niður fyrir 4°C aðlagast vetnistengin til að halda vatnssameindunum í lengri byggingu, sem gerir það þéttara. En undir 4°C verður tilhneiging vatnsins til að taka upp sexhyrnda byggingu sem það hefur í ís ríkjandi. Þessi bygging er opnari og þynnri, sem leiðir til þeirrar lækkunar á eðlisþyngd sem sést hefur þegar vatn kólnar niður fyrir 4°C.
Að skilja þessa hegðun vatns er ekki bara fræðilega áhugavert - það er mikilvægt til að skilja marga vistfræðilega og umhverfislega ferla.
