Gyorskeresés

A víz abnormális hőtágulása 7234

A víz a legtöbb anyagtól eltérően viselkedik hőközlés hatására két szempontból is:

  • \(0\ {}^\circ C\) és \(4\ {}^\circ C\) között melegítés hatására összehúzódik (nem pedig kitágul, ahogy a legtöbb anyag)
  • fagyáskor kitágul (nem pedig összehúzódik, ahogy a legtöbb anyag)

Mindkét effektus oka az, hogy a vízmolekula erősen poláros: a hidrogénatomok "környékén" pozitívabb a molekula (ezt szokás \(\delta\) parciális töltésnek nevezni), míg a molekula többi részén, különösen az oxigénatom két nem kötő elektronpályáinak helyén negatívabb rész van:

Az alábbi ábra a vízmolekulánál a számított elektrosztatikus potenciál eloszlását mutatja:

Emiatt az erősen poláros molekulaszerkezet miatt a vízmolekulák mindig úgy próbálnak egymás mellett elhelyezkedni, hogy a \({\delta}^+\) és a \({\delta}^-\) parciális töltésekre minél inkább teljesüljön, hogy az ellentétesek egymáshoz közel, az azonosak viszont egymástól távol legyenek. A jég szerkezete emiatt ilyesmi:

Az ábrán a szaggatott vonalak mutatják, hol valósul meg, hogy az ellentétes (parciális) töltések egymáshoz közel kerültek (ezt szokás hidrogén-hídnak nevezni). Ezt a térdeli struktúrát síkban nagyon nehéz ábrázolni, ezért itt egy videó, melyben "lézerkard"-os látvánnyal megjelenítik a vízmolekulák ellentétes előjelű parciális töltései között kialakuló másodlagos kötéseket, mintha ezeket a kölcsönhatásokat valami világító gumiszalagok működtetnék:


A víz abnormális tágulása \(0\ {}^\circ C\) és \(4\ {}^\circ C\) között

A vízmolekulák közötti másodlagos kölcsönhatások miatt van, hogy a víz \(0\ {}^\circ C\) hőmérsékletről melegítve egészen \(4\ {}^\circ C\) hőmérsékletig nem "hőtágul", hanem abnormális (a szokásostól eltérő) módon összehúzódik. Az effektus nagyon kicsi: csupán kb. egy tízezred részével csökken ilyenkor a víz térfogata:

de ennek a pici effektusnak nagy jelentősége van a vízi élővilág szempontjából abban, hogy a tavak nem fagynak be fenékig, még egy nagyon hideg télen sem (a legsekélyebb, kisméretű tavakat leszámítva). Ugyanis emiatt tudnak - fagyhalál helyett - áttelelni a tó fenekén a hidegvérű (pontosabban szólva változó testhőmérsékletű) állatok, mint a halak, békák, csigák, kagylók. Miért fontos ez?

A tó vize télen nem alulról, a talaj felől kezd el hűlni, hanem a víz feletti levegő lesz hidegebb, mint a víz. Mi történik, ha a tó vize mondjuk \(9 {}^\circ C\) hőmérsékletű, a felette lévő levegő meg lehűl \(8 {}^\circ C\)-ra? A hideg levegő a víz legfelső rétegével érintkezik, emiatt közvetlenül csak azt tudja lehűteni:

Mi fog történni? Mivel a víz \(4\ {}^\circ C\) fölött normálisan "hőtágu", a lehűléstől sűrűbb lesz, ezért a felső, hidegebb víz lesüllyed a tó febekére, az ottani (melegebb) víz pedig feljön a helyére, azaz kialakul egy cirkuláció, ami miatt a tó egésze visznyolag gyorsan tud egyre alacsonyabb hőmérsékletre hűni.

De ez a folyamat csak \(4\ {}^\circ C\) hőmérsékletig tarthat, hiszen a \(4\ {}^\circ C\)-os víz a lehúléstől nem lesz sűrűbb, hanem könnyebb lesz. Vagyis nem fog lesüllyedni, tehát \(4\ {}^\circ C\)-nál megáll a cirkuláció. Innentől kezdve a víz már csak hővezetéssel és sugárzással tud tovább hűlni, ami sokkal lassabb, mint amikor a cirkuláció "besegített". Tehát amikor a \(4\ {}^\circ C\)-os tó felső része \(3\ {}^\circ C\)-ra hűl le, akkor a hidegebb víz fennt marad:

Innen csak szép lassan tud tovább hűlni:

Míg végül, nagy sokára, a felső réteg e léri a fagypontot, kialakul egy hőmérsékleti rétegződés, méghozzá "inverz", hiszen a szokásossal ellentétben alul van a melegebb víz, felül pedog a hidegebb:

Ezután a víz teteje befagy, de a jég nagyon rossz hővezető, így ez még jobban lelassítja a tó további hűlését, így aki a tó fenekébe beássa magát, az jó eséllyel tavasszal még élni fog:

 

A víz fagyáskori kitágulása

A víz a molekulái közötti másodlagos kölcsönhatások (hidrogénhíd-kötések) miatt tágul ki a megfagyása során, méghozzá 9%-kal nő meg ilyenkor a térfogata. Emiatt van, hogy a jég mindig úszik a víz felszínén.

 

Mivel a jég csak kicsivel kisebb sűrűségű, mint a víz, emiatt majdnem elsüllyed benne, csak kb. 10-ed része van kint a vízfelszín felett, míg a nagyja a víz alatt lapul:

A víz két anomálija közös ábrán ia ábrázolhatjuk. Vigyázat, itt most a sűrűség van a függőleges tengelyen, nem pedig a térfogat, ahogy az előbb. Emiatt a \(4\ {}^\circ C\)-os állapot maximumot jelent sűrűségben, nem pedig minimumot, ahogy a térfogatot mutató ábrán: