Raksts par ūdens anomālu uzvedību zem 4°C
Katrs objekts izplešas (objektu tilpums palielinās), kad temperatūra paaugstinās, un objekti saraujas (objektu tilpums samazinās), kad temperatūra pazeminājās. Arī ūdens izplešas, kad temperatūra paaugstinās, un saraujas, kad temperatūra pazeminājās, bet ne 0 ° C–4 ° C temperatūrā. Temperatūrā starp 0 °C un 4 °C ūdens tilpums samazinās (ūdens saraujas), paaugstinoties temperatūrai. Ja mēs uzsildām ūdeni 0 ° C temperatūrā, ūdens kļūst karstāks, ūdens tilpums samazinās. Saraušanās process apstājas, kad ūdens sasniedz 4 ° C. Virs 4 ° C ūdens tilpums palielinās, paaugstinoties temperatūrai. Tā vietā ūdens izplešas (ūdens tilpums palielinās), kad temperatūra pazeminās no 4 ° C līdz 0 ° C.
Piemēram, mēs ievietojam saldētavā ūdeni 30 ° C temperatūrā. Saldētavā ūdens temperatūra samazinās. Kad ūdens temperatūra samazinās, samazinās arī ūdens tilpums (ūdens saraujas). Kad tā sasniedz 4 ° C, ūdens sāk izplesties (ūdens tilpums palielinās). Ūdens izplešanās apstājas, kad temperatūra sasniedz 0 °C. Atšķirībā no citiem objektiem, kas turpina sarukt (objektu tilpums samazinās), kad objekta temperatūra samazinās līdz 0 ° C. Kad objekti saraujas (objektu tilpums samazinās), blīvums palielinās. Un otrādi, kad objekti izplešas (objektu tilpums palielinās), blīvums samazinās. Blīvuma formula = masa / tilpums. Objektu masa vienmēr ir fiksēta. Savukārt tilpums var mainīties atkarībā no temperatūras. Ūdens saraujas (ūdens tilpums samazinās) tikai līdz 4 ° C, tāpēc ūdenim ir vislielākais blīvums 4 ° C temperatūrā.
Ūdens anomāliju priekšrocības ir jūtamas apgabalos, kuros ir ziema. Iestājoties ziemai, gaisa temperatūra pazeminās. Ūdens virsmas saskaras ar ūdeni, tāpēc arī ūdens temperatūra uz upes vai ezera virsmas samazinās. Tā kā ūdens temperatūra samazinās, samazinās arī ūdens tilpums. Tā kā ūdens tilpums samazinās, palielinās ūdens blīvums. Ūdenim uz virsmas ir lielāks blīvums nekā ūdenim zemāk. Tā kā tam ir lielāks blīvums, ūdens uz virsmas pārvietojas uz leju (iegrimst). Ūdenim zemāk ir lielāks blīvums, tāpēc tas pārvietojas uz augšu (peld). Šis process notiek, līdz ūdens temperatūra sasniedz 4 ° C. Tāpēc ūdenim ir vislielākais blīvums 4 ° C temperatūrā.
Kad ūdens temperatūra upes vai ezera virsmā kļūst zemāka par 4 ° C, tad ūdens uz virsmas izplešas (ūdens tilpums palielinās). Jo, palielinoties ūdens tilpumam, ūdens blīvums samazinās. Ūdens blīvums uz virsmas ir mazāks nekā ūdens blīvums apakšā, tāpēc ūdens uz virsmas nevar nokrist. Ūdens uz virsmas paliek virspusē un vispirms sasalst, kad ūdens temperatūra pazeminās līdz 0 °C. Tā kā tas nonāk saskarē ar ūdeni uz virsmas, arī ūdens zem virsmas sāk sasalt, kad ūdens temperatūra pazeminās līdz 0 °C. Tā tālāk. Tātad sasalšanas process sākas no ūdens uz virsmas. Ūdens ezera vai upes dibenā parasti nesasalst, jo gaisa temperatūra nav sasalšanas stāvoklī. Tā kā ūdens dibenā nesasalst, zivis un dzīvās būtnes, kas atrodas ezera vai upes dibenā, ziemā paliek dzīvas.
Ūdens uzrāda daudzas anomālas uzvedības pazīmes, pateicoties tā unikālajai molekulārajai struktūrai un ūdeņraža saišu raksturam starp tā molekulām. Viena no nozīmīgākajām no šīm anomālijām ir ūdens blīvuma uzvedība, tam atdziestot, īpaši, kad temperatūra tuvojas sasalšanas temperatūrai. Šeit ir šīs parādības apraksts:
- Blīvums un temperatūraLielākā daļa vielu atdziestot kļūst blīvākas, un karsējot – mazāk blīvas. Tas notiek tāpēc, ka daļiņas atdziestot pārvietojas tuvāk viena otrai, bet karsējot – tālāk viena no otras.
- Ūdens anomālijaTomēr ūdens uzvedas citādi sasalšanas punkta tuvumā. Lai gan, atdziestot no istabas temperatūras, tas kļūst blīvāks, šī tendence mainās aptuveni 4°C temperatūrā. Zem 4°C ūdens kļūst mazāk blīvs, tam kļūstot aukstākam, līdz tas sasniedz 0°C un sasalst.
- Ledus veidošanāsLedum ir sešstūra režģa struktūra ūdeņraža saišu orientācijas dēļ. Šī struktūra padara ledu mazāk blīvu nekā šķidrs ūdens. Tāpēc ledus peld virs ūdens.
- Ekoloģiskā nozīmeŠī anomālā uzvedība ir izšķiroša ūdens organismiem. Kad virszemes ūdens ziemā atdziest, tas kļūst blīvāks un nogrimst, līdz temperatūra sasniedz 4°C. Zem šīs temperatūras, ūdenim turpinot atdzist, tas paliek uz virsmas un galu galā sasalst. Tā rezultātā uz virsmas veidojas ledus, bet zemāk esošais ūdens paliek šķidrs, ļaujot ūdens organismiem izdzīvot. Ja ledus būtu blīvāks par šķidru ūdeni (tāpat kā lielākā daļa cietvielu ir blīvākas par to šķidro formu), tas nogrimtu apakšā, kā rezultātā viss ūdens objekts sasaltu cietā stāvoklī, kas būtu katastrofāli ūdens ekosistēmām.
- Anomālijas cēlonisŠīs anomālās uzvedības iemesls ir ūdeņraža saites starp ūdens molekulām. Ūdenim atdziestot līdz 4°C, ūdeņraža saites pielāgojas, lai noturētu ūdens molekulas paplašinātā struktūrā, padarot to blīvāku. Bet zem 4°C ūdens tendence pieņemt sešstūra struktūru, kas tam piemīt ledū, kļūst dominējoša. Šī struktūra ir atvērtāka un mazāk blīva, kā rezultātā novērojama blīvuma samazināšanās, ūdenim atdziestot zem 4°C.
Šīs ūdens uzvedības izpratne nav tikai akadēmiski interesanta — tā ir būtiska daudzu ekoloģisku un vides procesu izpratnei.
