Artikel over afwijkend gedrag van water onder 4°C
Elk object zet uit (het volume neemt toe) wanneer de temperatuur stijgt, en krimpt (het volume neemt af) wanneer de temperatuur daalt. Water zet ook uit wanneer de temperatuur stijgt en krimpt wanneer de temperatuur daalt, behalve tussen 0 ° C en 4 ° C. Tussen 0 °C en 4 °C neemt het volume van water af (het water krimpt) naarmate de temperatuur stijgt. Als we water verwarmen tot 0 ° C, wordt het water warmer en neemt het volume af. Het krimpen stopt wanneer het water 4 ° C bereikt. Boven 4 ° C neemt het volume van water toe naarmate de temperatuur stijgt. In plaats daarvan zet water uit (het volume neemt toe) wanneer de temperatuur daalt van 4 ° C naar 0 ° C.
Stel, we plaatsen water van 30 ° C in de vriezer. In de vriezer daalt de temperatuur van het water. Door de dalende temperatuur neemt ook het volume van het water af (het water krimpt). Wanneer het 4 ° C bereikt, begint het water uit te zetten (het volume neemt toe). De uitzetting van water stopt wanneer de temperatuur 0 °C bereikt. In tegenstelling tot andere objecten die blijven krimpen (het volume neemt af) wanneer de temperatuur daalt tot 0 ° C, neemt de dichtheid toe wanneer objecten krimpen (het volume neemt af). Omgekeerd neemt de dichtheid af wanneer objecten uitzetten (het volume neemt toe). De formule voor dichtheid is massa / volume. De massa van objecten is altijd constant, terwijl het volume kan veranderen, afhankelijk van de temperatuur. Het water krimpt (het volume neemt af) slechts tot 4 ° C, daarom heeft water de hoogste dichtheid bij 4 ° C.
De voordelen van wateranomalieën worden vooral merkbaar in gebieden met een winter. Wanneer de winter aanbreekt, daalt de luchttemperatuur. Wateroppervlakken komen in contact met elkaar, waardoor de temperatuur van het water aan het oppervlak van de rivier of het meer ook daalt. Doordat de watertemperatuur daalt, neemt ook het watervolume af. Omdat het watervolume afneemt, neemt de dichtheid van het water toe. Het water aan de oppervlakte heeft een hogere dichtheid dan het water eronder. Door de hogere dichtheid zakt het water aan de oppervlakte naar beneden (zinkt). Het water eronder heeft een hogere dichtheid en stijgt daarom op (drijft). Dit proces gaat door totdat de watertemperatuur 4 ° C bereikt. Daarom heeft water de hoogste dichtheid bij 4 ° C.
Wanneer de temperatuur van het wateroppervlak van een rivier of meer onder de 4 ° C komt, zet het water aan de oppervlakte uit (het volume neemt toe). Dit komt doordat de dichtheid van het water afneemt naarmate het volume toeneemt. Omdat de dichtheid van het water aan de oppervlakte lager is dan de dichtheid van het water op de bodem, kan het water aan de oppervlakte niet naar beneden zakken. Het water aan de oppervlakte blijft boven en bevriest als eerste wanneer de temperatuur daalt tot 0 °C. Doordat het water aan de oppervlakte in contact komt met het water, begint ook het water eronder te bevriezen wanneer de temperatuur daalt tot 0 ° C. En zo gaat het verder. Het bevriezingsproces begint dus aan de oppervlakte. Het water op de bodem van een meer of rivier bevriest meestal niet, omdat de luchttemperatuur daar niet vriest. Doordat het water op de bodem niet bevriest, blijven de vissen en andere levende organismen die zich op de bodem van het meer of de rivier bevinden de winter overleven.
Water vertoont veel afwijkend gedrag vanwege zijn unieke moleculaire structuur en de aard van de waterstofbruggen tussen de moleculen. Een van de meest significante van deze afwijkingen is het gedrag van de dichtheid van water bij afkoeling, vooral wanneer de temperatuur het vriespunt nadert. Hier volgt een overzicht van dit fenomeen:
- Dichtheid en temperatuurDe meeste stoffen worden dichter naarmate ze afkoelen en minder dicht naarmate ze opwarmen. Dit komt doordat de deeltjes dichter bij elkaar komen te liggen bij afkoeling en verder van elkaar af komen te liggen bij verhitting.
- WateranomalieWater gedraagt zich echter anders in de buurt van het vriespunt. Hoewel het dichter wordt naarmate het afkoelt vanaf kamertemperatuur, keert deze trend om bij ongeveer 4°C. Beneden 4°C wordt water minder dicht naarmate het kouder wordt, totdat het 0°C bereikt en bevriest.
- IJsvormingIJs heeft een hexagonale roosterstructuur vanwege de oriëntatie van de waterstofbruggen. Deze structuur zorgt ervoor dat ijs een lagere dichtheid heeft dan vloeibaar water. Daarom drijft ijs op water.
- Ecologische betekenisDit afwijkende gedrag is cruciaal voor het leven in het water. Wanneer het oppervlaktewater in de winter afkoelt, wordt het dichter en zinkt het totdat de temperatuur 4°C bereikt. Beneden deze temperatuur blijft het water aan de oppervlakte en bevriest het uiteindelijk. Hierdoor vormt zich ijs aan de oppervlakte, terwijl het water eronder vloeibaar blijft, waardoor het leven in het water kan overleven. Als ijs dichter zou zijn dan vloeibaar water (zoals de meeste vaste stoffen dichter zijn dan hun vloeibare vorm), zou het naar de bodem zinken, waardoor het hele waterlichaam zou bevriezen. Dit zou catastrofaal zijn voor aquatische ecosystemen.
- Oorzaak van de anomalieDe reden voor dit afwijkende gedrag ligt in de waterstofbruggen tussen watermoleculen. Wanneer water afkoelt tot ongeveer 4 °C, passen de waterstofbruggen zich aan om de watermoleculen in een meer uitgestrekte structuur te houden, waardoor het water dichter wordt. Maar onder de 4 °C wordt de neiging van water om de hexagonale structuur aan te nemen die het in ijs heeft, dominant. Deze structuur is opener en minder dicht, wat leidt tot de waargenomen afname van de dichtheid wanneer water afkoelt tot onder de 4 °C.
Het begrijpen van dit gedrag van water is niet alleen academisch interessant, maar ook essentieel voor het begrijpen van vele ecologische en milieuprocessen.
