При нагріванні речовина отримує енергію таким чином, що її молекули хвилюються, починають займати більший об’єм, тобто зазнає розширення. Протилежне відбувається, коли речовина охолоджується, оскільки вона втрачає енергію, а її молекули мають тенденцію бути дуже близько один до одного, викликаючи скорочення об’єму. Це призводить до того, що речовина в твердому стані займає менший об’єм, ніж у рідкому стані.
На відміну від більшості речовин, вода має аномальну поведінку: при нагріванні між інтервалами від 0 до 4º C вона страждає. скорочення, а потім він починає розширюватися, тобто коли вода знаходиться в твердому стані, вона має більший об’єм, ніж у рідкому стані в цьому інтервалі температура. Цю нерегулярну поведінку води можна представити наступним графіком:
Об’єм води зменшується від 0 до 4°C, а потім починає збільшуватися
Якщо за цей проміжок об’єм води зменшується, а її маса залишається постійною, отже щільність води, що є співвідношенням між масою та об’ємом, буде максимальною, коли вода має температуру 4ºC. Подивіться на графіку:
Цей графік показує, що щільність води максимальна при температурі 4°C
Але в чому причина аномального розширення з води? Це пояснення можна знайти в їх молекулярному складі. Молекули води з’єднуються за допомогою хімічних зв’язків, які називаються Водневі зв'язки.
Коли температура води підвищується вище 0ºC, водневі зв’язки починають розриватися, викликаючи наближення між молекулами. Цей ефект долає молекулярне теплове перемішування, яке змушує молекули розсуватися і змушує їх займати більший об’єм таким чином, що їх об’єм зменшується.
Коли температура перевищує 4ºC, кількість водневих зв’язків вже дуже низька. Таким чином починає переважати молекулярне дистанціювання, отже, збільшується його об’єм.
Така нерегулярна поведінка води пояснює декілька природних явищ, зокрема той факт, що лід плаває на воді, що є що відбувається в дуже холодних регіонах, де поверхня озер замерзла, а на дні залишається вода рідина. Оскільки вода має максимальну щільність при 4ºC, вона залишається на дні, створюючи теплову конвекцію, яка є теплообмін через різницю в щільності.
Маріан Мендес
Закінчив фізику
Джерело: Бразильська школа - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/a-agua-seu-comportamento-irregula.htm