Anomálne správanie vody pod 4 °C

Článok o anomálnom správaní vody pri teplote pod 4 °C

Každý objekt sa rozpína ​​(objem objektov sa zväčšuje), keď sa teplota zvyšuje, a objekty sa zmenšujú (objem objektov sa zmenšuje), keď sa teplota znižuje. Voda sa tiež rozpína, keď sa teplota zvyšuje, a zmenšuje sa, keď sa teplota znižuje, ale nie pri teplote 0 ^° C – 4 ^° C. Medzi 0 °C a 4 °C sa objem vody znižuje (voda sa zmenšuje) so zvyšujúcou sa teplotou. Ak vodu ohrievame na 0 ^° C, voda sa zahrieva viac, objem vody sa znižuje. Proces zmršťovania sa zastaví, keď voda dosiahne 4 ^° C. Nad 4 ^° C sa objem vody so zvyšujúcou sa teplotou zväčšuje. Namiesto toho sa voda rozpína ​​(objem vody sa zvyšuje), keď teplota klesá zo 4 ^° C na 0 ^° C.

Napríklad, do mrazničky dáme vodu s teplotou 30 ^{° C. Keď je v mrazničke, teplota vody klesá. Keď teplota vody klesá, objem vody sa tiež znižuje (voda sa zmenšuje). Keď dosiahne 4 °} C, voda sa začne rozpínať (objem vody sa zvyšuje). Rozpínanie vody sa zastaví, keď teplota dosiahne 0 °C. Na rozdiel od iných objektov, ktoré sa naďalej zmenšujú (objem objektov sa znižuje), keď teplota objektu klesne na 0 ^° C, keď sa objekty zmenšujú (objem objektov sa znižuje), hustota sa zvyšuje. Naopak, keď sa objekty rozpínajú (objem objektov sa zvyšuje), hustota sa znižuje. Vzorec pre hustotu = hmotnosť / objem. Hmotnosť objektov je vždy pevná. Zatiaľ čo objem sa môže meniť v závislosti od teploty. Voda sa zmenšuje (objem vody sa zmenšuje) iba na 4 ^° C, preto má voda najvyššiu hustotu pri 4 ^° C.

Výhody vodných anomálií sa prejavujú v oblastiach so zimou. Keď príde zima, teplota vzduchu klesá. Vodné plochy sú v kontakte s vodou, takže sa znižuje aj teplota vody na povrchu rieky alebo jazera. Keďže teplota vody klesá, znižuje sa aj objem vody. Keďže sa znižuje objem vody, zvyšuje sa jej hustota. Voda na povrchu má väčšiu hustotu ako voda pod ňou. Pretože má väčšiu hustotu, voda na povrchu sa pohybuje nadol (klesá). Voda pod ňou má väčšiu hustotu, takže sa pohybuje nahor (pláva). Tento proces prebieha, kým teplota vody nedosiahne 4 ^° C. Preto má voda najvyššiu hustotu pri 4 ^° C.

Keď teplota vody na povrchu rieky alebo jazera klesne pod 4 ^° C, voda na povrchu sa rozpína ​​(objem vody sa zvyšuje). Pretože so zvyšujúcim sa objemom vody sa hustota vody znižuje. Hustota vody na povrchu je menšia ako hustota vody na dne, takže voda na povrchu nemôže klesať. Voda na povrchu zostáva nad hladinou a mrzne ako prvá, keď teplota vody klesne na 0 °C. Vďaka kontaktu s vodou na povrchu začne mrznúť aj voda pod povrchom, keď teplota vody klesne na 0 °C. ^Tak ďalej. Proces mrznutia teda začína od vody na povrchu. Voda na dne jazera alebo rieky zvyčajne nezamrzne, pretože teplota vzduchu nie je mrazivá. Pretože voda na dne nezamrzne, ryby a živé organizmy, ktoré sa nachádzajú na dne jazera alebo rieky, zostávajú počas zimy nažive.

Voda vykazuje mnoho anomálií vďaka svojej jedinečnej molekulárnej štruktúre a povahe vodíkových väzieb medzi jej molekulami. Jednou z najvýznamnejších z týchto anomálií je správanie hustoty vody pri jej chladnutí, najmä keď sa teplota blíži k bodu mrazu. Tu je prehľad tohto javu:

1. Hustota a teplotaVäčšina látok hustne pri chladnutí a menej hustá pri zahrievaní. Je to preto, že častice sa k sebe približujú pri chladení a od seba sa od seba vzďaľujú pri zahrievaní.
2. Vodná anomáliaVoda sa však v blízkosti bodu mrazu správa inak. Hoci pri ochladzovaní z izbovej teploty hustne, tento trend sa obracia pri teplote približne 4 °C. Pod 4 °C voda s chladnením stráca hustotu, až kým nedosiahne 0 °C a nezamrzne.
3. Tvorba ľaduĽad má hexagonálnu mriežkovú štruktúru vďaka orientácii vodíkových väzieb. Táto štruktúra spôsobuje, že ľad má menšiu hustotu ako kvapalná voda. Preto ľad pláva na vode.
4. Ekologický významToto anomálne správanie je kľúčové pre vodný život. Keď sa povrchová voda v zime ochladí, zhustne a klesne, kým teplota nedosiahne 4 °C. Pod touto teplotou, ako voda pokračuje v ochladzovaní, zostáva na povrchu a nakoniec zamrzne. To vedie k tvorbe ľadu na povrchu, zatiaľ čo voda pod ňou zostáva kvapalná, čo umožňuje prežitie vodného života. Ak by bol ľad hustejší ako kvapalná voda (podobne ako väčšina pevných látok má hustejšiu kvapalnú formu), klesol by na dno, čo by viedlo k zamrznutiu celej vodnej plochy v pevnom stave, čo by bolo katastrofálne pre vodné ekosystémy.
5. Príčina anomálieDôvod tohto anomálneho správania spočíva vo vodíkových väzbách medzi molekulami vody. Keď sa voda ochladzuje na 4 °C, vodíkové väzby sa prispôsobujú tak, aby udržali molekuly vody v roztiahnutejšej štruktúre, čím sa voda stáva hustejšou. Pod 4 °C však prevláda tendencia vody prijať hexagonálnu štruktúru, ktorú obsahuje ľad. Táto štruktúra je otvorenejšia a menej hustá, čo vedie k pozorovanému poklesu hustoty pri ochladzovaní vody pod 4 °C.

Pochopenie tohto správania sa vody nie je len akademicky zaujímavé – je nevyhnutné pre pochopenie mnohých ekologických a environmentálnych procesov.