Багато юні чомучки задаються питанням: при замерзанні вода розширюється або стискається? Відповідь наступна: з приходом зими вода починає свій процес розширення. Чому це відбувається? Це властивість виділяє воду з списку всіх інших рідин і газів, які, навпаки, при охолодженні стискаються. В чому полягає причина такої поведінки цієї незвичайної рідини?
Фізика 3 класу: вода при замерзанні розширюється або стискається?
Більшість речовин і матеріалів збільшуються в об’ємі при нагріванні і зменшуються при охолодженні. Гази цей ефект показують більш помітно, але різні рідини і тверді метали виявляють такі ж властивості.
Одним з найбільш яскравих прикладів розширення і стискання газу є повітря у повітряній кулі. Коли ми виносимо повітряна куля на вулицю в мінусову погоду, то куля відразу зменшується в розмірах. Якщо ми куля вносимо в опалювальне приміщення, то він відразу ж збільшується. А от якщо ми внесемо повітряна куля в баню – він лопне.
Молекули води вимагають більше місця
Причиною того, що відбуваються ці процеси розширення і стиснення різних речовин, є молекули. Ті з них, які отримують більше енергії (це відбувається в теплому приміщенні), рухаються набагато швидше, ніж молекули, що знаходяться в холодному приміщенні. Частинки, які мають велику енергію, стикаються набагато активніше і частіше, їм потрібно більше місця для руху. Щоб стримати той тиск, який чинять молекули, матеріал починає збільшуватися в розмірах. Причому це відбувається досить стрімко. Отже, вода при замерзанні розширюється або стискається? Чому це відбувається?
Вода не підкоряється цим правилам. Якщо ми починаємо охолоджувати воду до чотирьох градусів Цельсія, то вона зменшує свій обсяг. Але якщо температура продовжує падати, то вода раптом починає розширюватися! Існує така властивість, як аномалія густини води. Це властивість виникає при температурі в чотири градуси Цельсія.
Тепер, коли ми з’ясували, розширюється або стискається вода при замерзанні, давайте дізнаємося, як взагалі виникає ця аномалія. Причина криється в частинках, з яких вона складається. Молекула води створена з двох атомів водню і одного – кисню. Формулу води всі знають ще з початкових класів. Атоми в цій молекулі притягують електрони по-різному. У водню створюється позитивний центр тяжкості, а у кисню, навпаки – від’ємний. Коли молекули води стикаються один з одним, то атоми водню однієї молекули переходять на атом кисню абсолютно іншої молекули. Цей феномен називається водневої зв’язком.
Воді потрібно більше місця при її охолодженні
В той момент, коли починається процес формування водневих зв’язків у воді починають виникати місця, де молекули перебувають у тому ж порядку, що і в кристалі льоду. Ці заготовки називаються кластерами. Вони не міцні, як в твердому кристалі води. При підвищенні температури вони руйнуються і змінюють своє місце розташування.
Під час процесу охолодження води починає стрімко збільшуватися кількість кластерів в рідині. Вони вимагають більше простору для поширення, внаслідок цього вода і збільшується в розмірах після досягнення своєї аномальної густини.
При падінні стовпчика термометра нижче нуля кластери починають перетворюватися в дрібні кристали льоду. Вони починають підніматися вгору. Внаслідок цього вода перетворюється в лід. Це дуже незвичайна здатність води. Даний феномен необхідний для дуже великої кількості процесів у природі. Ми всі знаємо, а якщо не знаємо, то запам’ятовуємо, що щільність льоду трохи менше щільності прохолодної чи холодної води. Завдяки цьому лід плаває на поверхні води. Всі водойми починають замерзати зверху вниз, що дозволяє спокійно існувати і не замерзати водним мешканцям на дні. Отже, тепер ми знаємо подробиці про те, розширюється або стискається вода при замерзанні.
Цікавий феномен
Гаряча вода замерзає швидше холодної. Якщо ми візьмемо два однакових склянки і наллємо в один гарячої води, а в іншій стільки ж холодною, то ми помітимо, що гаряча вода замерзне швидше, ніж холодна. Це не логічно, погодьтеся? Гарячій воді потрібно охолонути, щоб починати замерзати, а холодної цього не потрібно. Як пояснити цей факт? Вчені досі не можуть пояснити цю загадку. Даний феномен має назву «Ефект Мпембы». Відкрито було в 1963 році вченим з Танзанії при незвичайному збігу обставин. Студент хотів зробити собі морозиво і зауважив, що гаряча вода замерзає швидше. Про це він поділився зі своїм вчителем фізики, який спочатку не повірив йому.
