เมื่อสารถูกให้ความร้อน สารจะได้รับพลังงานในลักษณะที่โมเลกุลของสารจะกระวนกระวาย โดยเริ่มจะมีปริมาตรมากขึ้น กล่าวคือ ผ่านการขยายตัว สิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นเมื่อสารถูกทำให้เย็นลง เนื่องจากสูญเสียพลังงานและโมเลกุลของสารมีแนวโน้มที่จะอยู่ใกล้กันมาก ทำให้ปริมาตรหดตัว ซึ่งทำให้โดยปกติสสารในสถานะของแข็งมีปริมาตรน้อยกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลว
ตรงกันข้ามกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับสารส่วนใหญ่ น้ำมีพฤติกรรมผิดปกติ: เมื่อได้รับความร้อน ระหว่างช่วงเวลา 0 ถึง 4º C น้ำจะทนทุกข์ทรมาน หดตัวแล้วเริ่มขยายตัว กล่าวคือ เมื่อน้ำอยู่ในสถานะของแข็ง จะมีปริมาตรมากกว่าในสถานะของเหลวในช่วงนี้ อุณหภูมิ. พฤติกรรมน้ำที่ผิดปกตินี้สามารถแสดงด้วยกราฟต่อไปนี้:
ปริมาณน้ำจะลดลงระหว่าง 0 ถึง 4°C แล้วจึงเริ่มเพิ่มขึ้น
หากปริมาตรของน้ำลดลงในช่วงเวลานี้และมวลของน้ำคงที่ ดังนั้น ความหนาแน่น ของน้ำซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างมวลและปริมาตร จะสูงสุดเมื่อน้ำอยู่ที่ 4ºC ดูกราฟิก:
กราฟนี้แสดงว่าความหนาแน่นของน้ำสูงสุดเมื่ออุณหภูมิ 4°C
อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)
แต่อะไรคือสาเหตุของการขยายตัวผิดปกติ จากน้ำ? คำอธิบายนี้มีอยู่ในองค์ประกอบโมเลกุล โมเลกุลของน้ำเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมีที่เรียกว่า พันธะไฮโดรเจน
เมื่ออุณหภูมิของน้ำสูงขึ้น สูงกว่า 0ºC พันธะไฮโดรเจนจะเริ่มแตกตัว ทำให้เกิดการประมาณค่าระหว่างโมเลกุล ผลกระทบนี้เอาชนะความปั่นป่วนทางความร้อนของโมเลกุล ซึ่งทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่ออกจากกันและทำให้มีปริมาตรมากขึ้นในลักษณะที่ปริมาตรของพวกมันลดลง
เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 4ºC จำนวนพันธะไฮโดรเจนก็ต่ำมากอยู่แล้ว ด้วยวิธีนี้ การเว้นระยะห่างของโมเลกุลจึงเริ่มมีผล ดังนั้นจึงมีการเพิ่มปริมาตร
พฤติกรรมของน้ำที่ไม่ปกตินี้อธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติหลายประการ รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่าน้ำแข็งลอยอยู่บนน้ำ ซึ่งก็คือ เกิดอะไรขึ้นในพื้นที่ที่เย็นมากซึ่งพื้นผิวของทะเลสาบกลายเป็นน้ำแข็งในขณะที่น้ำยังคงอยู่ที่ด้านล่าง ของเหลว. เนื่องจากน้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4ºC น้ำจึงยังคงอยู่ที่ด้านล่าง ทำให้เกิดการพาความร้อน ซึ่งก็คือ a การแลกเปลี่ยนความร้อน เนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่น
โดย Mariane Mendes
จบฟิสิกส์
คุณต้องการอ้างอิงข้อความนี้ในโรงเรียนหรืองานวิชาการหรือไม่ ดู:
เตยเซร่า, มารีแอน เมนเดส. "พฤติกรรมน้ำผิดปกติ"; โรงเรียนบราซิล. มีจำหน่ายใน: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-agua-seu-comportamento-irregula.htm. เข้าถึงเมื่อ 27 กรกฎาคม 2021.
