Όταν μια ουσία θερμαίνεται, λαμβάνει ενέργεια με τέτοιο τρόπο ώστε τα μόριά της να αναδεύονται, αρχίζοντας να καταλαμβάνει μεγαλύτερο όγκο, δηλαδή υφίσταται διαστολή. Το αντίθετο συμβαίνει όταν μια ουσία ψύχεται, καθώς χάνει ενέργεια και τα μόριά της τείνουν να είναι πολύ κοντά μεταξύ τους, προκαλώντας συστολή του όγκου. Αυτό προκαλεί, κανονικά, η ύλη σε στερεή κατάσταση να καταλαμβάνει λιγότερο όγκο από ό, τι όταν είναι σε υγρή κατάσταση.
Σε αντίθεση με ό, τι συμβαίνει με τις περισσότερες ουσίες, το νερό έχει μια ανώμαλη συμπεριφορά: όταν θερμαίνεται, μεταξύ των διαστημάτων 0 και 4º C, υποφέρει συστολή και μετά αρχίζει να διαστέλλεται, δηλαδή όταν το νερό είναι στη στερεή του κατάσταση έχει μεγαλύτερο όγκο από ότι στην υγρή κατάσταση σε αυτό το διάστημα θερμοκρασία. Αυτή η ακανόνιστη συμπεριφορά του νερού μπορεί να αναπαρασταθεί με το ακόλουθο γράφημα:
Ο όγκος του νερού μειώνεται μεταξύ 0 και 4°C και μετά αρχίζει να αυξάνεται
Αν ο όγκος του νερού μειωθεί σε αυτό το διάστημα και η μάζα του διατηρείται σταθερή, κατά συνέπεια το
πυκνότητα του νερού, που είναι η αναλογία μεταξύ μάζας και όγκου, θα είναι μέγιστη όταν το νερό είναι στους 4ºC. Δείτε το γραφικό:
Αυτό το γράφημα δείχνει ότι η πυκνότητα του νερού είναι μέγιστη όταν η θερμοκρασία είναι 4°C
Ποιος είναι όμως ο λόγος της ανώμαλης διαστολής από νερό? Αυτή η εξήγηση βρίσκεται στη μοριακή τους σύνθεση. Τα μόρια του νερού ενώνονται μέσω χημικών δεσμών που ονομάζονται Δεσμοί υδρογόνου.
Όταν η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται, πάνω από 0ºC, οι δεσμοί υδρογόνου αρχίζουν να σπάνε, προκαλώντας μια προσέγγιση μεταξύ των μορίων. Αυτό το φαινόμενο υπερνικά τη μοριακή θερμική ανάδευση, η οποία αναγκάζει τα μόρια να απομακρύνονται και τα κάνει να καταλαμβάνουν μεγαλύτερο όγκο με τέτοιο τρόπο ώστε ο όγκος τους να συρρικνώνεται.
Όταν η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 4ºC, ο αριθμός των δεσμών υδρογόνου είναι ήδη πολύ χαμηλός. Με αυτόν τον τρόπο αρχίζει να επικρατεί η μοριακή αποστασιοποίηση, με άρα αύξηση του όγκου της.
Αυτή η ακανόνιστη συμπεριφορά του νερού εξηγεί αρκετά φυσικά φαινόμενα, συμπεριλαμβανομένου του γεγονότος ότι ο πάγος επιπλέει στο νερό, το οποίο είναι τι συμβαίνει σε πολύ ψυχρές περιοχές, όπου η επιφάνεια των λιμνών είναι παγωμένη ενώ στον πυθμένα το νερό παραμένει υγρό. Καθώς το νερό έχει μέγιστη πυκνότητα στους 4ºC, παραμένει στον πυθμένα, κάνοντας θερμική μεταφορά, η οποία είναι ανταλλαγή θερμότητας λόγω της διαφοράς πυκνότητας.
Της Mariane Mendes
Πτυχιούχος Φυσικής
Πηγή: Σχολείο Βραζιλίας - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-agua-seu-comportamento-irregula.htm
