Quando una sostanza viene riscaldata, riceve energia in modo tale che le sue molecole si agitano, iniziando ad occupare un volume maggiore, cioè subisce espansione. Il contrario avviene quando una sostanza si raffredda, in quanto perde energia e le sue molecole tendono ad essere molto vicine tra loro, provocando una contrazione di volume. Questo fa sì che, normalmente, la materia allo stato solido occupi meno volume rispetto a quando è allo stato liquido.
Contrariamente a quanto accade con la maggior parte delle sostanze, l'acqua ha un comportamento anomalo: quando viene riscaldata, tra gli intervalli di 0 e 4º C, soffre contrazione e poi inizia a dilatarsi, cioè quando l'acqua è allo stato solido ha un volume maggiore che allo stato liquido in questo intervallo di temperatura. Questo comportamento irregolare dell'acqua può essere rappresentato con il seguente grafico:
Il volume dell'acqua diminuisce tra 0 e 4°C e poi inizia ad aumentare
Se il volume dell'acqua diminuisce durante questo intervallo e la sua massa viene mantenuta costante, di conseguenza il
densità di acqua, che è il rapporto tra massa e volume, sarà massimo quando l'acqua è a 4°C. Guarda il grafico:
Questo grafico mostra che la densità dell'acqua è massima quando la temperatura è di 4°C
Ma qual è il motivo della dilatazione anomala dall'acqua? Questa spiegazione si trova nella loro composizione molecolare. Le molecole d'acqua sono unite attraverso legami chimici chiamati Legami di idrogeno.
Quando la temperatura dell'acqua aumenta, sopra 0°C, i legami idrogeno iniziano a rompersi, causando un'approssimazione tra le molecole. Questo effetto vince l'agitazione termica molecolare, che provoca l'allontanamento delle molecole e le fa occupare un volume maggiore in modo tale che il loro volume si riduca.
Quando la temperatura supera i 4°C, il numero di legami idrogeno è già molto basso. In questo modo inizia a prevalere il distanziamento molecolare, con conseguente aumento del suo volume.
Questo comportamento irregolare dell'acqua spiega diversi fenomeni naturali, tra cui il fatto che il ghiaccio galleggia sull'acqua, che è cosa succede nelle regioni molto fredde, dove la superficie dei laghi è ghiacciata mentre sul fondo rimane l'acqua liquido. Poiché l'acqua ha una densità massima a 4°C, rimane sul fondo, facendo convezione termica, che è a scambio di calore a causa della differenza di densità.
di Mariane Mendes
Laureato in Fisica
Fonte: Scuola Brasile - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-agua-seu-comportamento-irregula.htm