با شروع هوای سرد، پوسته نازکی از یخ در سطح دریاچه ها تشکیل می شود که نتیجه آن کاهش دمای آب است. مقادیر منفی. اما در فصل زمستان که دمای هوا به زیر 30 درجه زیر صفر می رسد، لایه ای چشمگیر از یخ در سطح دریاچه ها تشکیل می شود، اما دریاچه های بزرگ هرگز به طور کامل یخ نمی زنند. چرا این اتفاق می افتد؟

به نظر می رسد که وقتی دمای آب شروع به کاهش می کند، اتفاقات بسیار جالبی در آب های بسته رخ می دهد. آب شیرین به دلیل ساختار مولکولی منحصر به فرد خود، حداکثر چگالی خود را در دمای +4 درجه سانتیگراد دارد. و هنگامی که دمای آب همچنان کاهش می یابد، لایه هایی با دمای متفاوت در دریاچه جدا می شوند و یک ترموکلاین فصلی را تشکیل می دهند.

آب با دمای +1-2 درجه سانتیگراد همیشه سبکتر از یک لایه آب با دمای +4 درجه سانتیگراد است که در پایین قرار دارد. به دلیل گردش ضعیف توده های آب (و ما به یاد داریم که این یک رودخانه نیست، بلکه یک دریاچه عمیق است)، اختلاط فعال و یکسان سازی دما رخ نمی دهد. به همین دلیل آب با دمای حدود 4+ درجه همیشه در قسمت پایین مخزن قرار دارد. لایه یخ به تدریج در حال رشد یا بیشتر آب سرددر قسمت بالایی مخزن، دریاچه اجازه یخ زدن به پایین را ندارد. ماهی ها و دیگر آبزیان بدون ترس از تبدیل شدن به یک تکه یخ در دریاچه به زندگی خود ادامه می دهند.

البته این قانون برای دریاچه های کوچک جواب نمی دهد و با رسیدن دمای منفی می توانند تا ته یخ بزنند. ماهی های محتاط معمولاً چنین مکان های خطرناک زمستانی را از قبل ترک می کنند و به رودخانه ها یا دریاچه های عمیق تر همسایه می روند.

با شروع هوای سرد، پوسته نازکی از یخ در سطح دریاچه ها تشکیل می شود که نتیجه کاهش دمای آب به مقادیر منفی است. اما در فصل زمستان که دمای هوا به زیر 30 درجه زیر صفر می رسد، لایه ای چشمگیر از یخ در سطح دریاچه ها تشکیل می شود، اما دریاچه های بزرگ هرگز به طور کامل یخ نمی زنند. چرا این اتفاق می افتد؟

به نظر می رسد که وقتی دمای آب شروع به کاهش می کند، اتفاقات بسیار جالبی در آب های بسته رخ می دهد. آب شیرین به دلیل ساختار مولکولی منحصر به فرد خود، حداکثر چگالی خود را در دمای +4 درجه سانتیگراد دارد. و هنگامی که دمای آب همچنان کاهش می یابد، لایه هایی با دمای متفاوت در دریاچه جدا می شوند و یک ترموکلاین فصلی را تشکیل می دهند.

آب با دمای +1-2 درجه سانتیگراد همیشه سبکتر از یک لایه آب با دمای +4 درجه سانتیگراد است که در پایین قرار دارد. به دلیل گردش ضعیف توده های آب (و ما به یاد داریم که این یک رودخانه نیست، بلکه یک دریاچه عمیق است)، اختلاط فعال و یکسان سازی دما رخ نمی دهد. به همین دلیل آب با دمای حدود 4+ درجه همیشه در قسمت پایین مخزن قرار دارد. لایه یخ که به تدریج در حال رشد است و آب سردتر در قسمت بالایی مخزن مانع از یخ زدن دریاچه به پایین می شود. ماهی ها و دیگر آبزیان بدون ترس از تبدیل شدن به یک تکه یخ در دریاچه به زندگی خود ادامه می دهند.

البته این قانون برای دریاچه های کوچک جواب نمی دهد و با رسیدن دمای منفی می توانند تا ته یخ بزنند. ماهی های محتاط معمولاً چنین مکان های خطرناک زمستانی را از قبل ترک می کنند و به رودخانه ها یا دریاچه های عمیق تر همسایه می روند.

آب ماده ای است که در سه حالت تجمع مشاهده می شود. می تواند منجمد شود و یخ جامد باشد، به شکل مایع می آید، و همچنین به شکل بخار وجود دارد - نه تنها در حمام، بلکه در آسمان، به شکل ابر. با این حال، در چارچوب این مقاله، ما بر روی اولین حالت آن، جامد تمرکز خواهیم کرد.

آب یخ می زند و کریستال ها را تشکیل می دهد یخ سخت. یخ می تواند چندین کیلومتر از سطوح را تشکیل دهد و رودخانه ها، دریاچه ها و دیگر آب ها را بپوشاند. در عین حال، به نظر می رسد سبک تر از آب مایع است و همیشه در بالا است. آب به دلیل کاهش دما یخ می زند.

دما و حالت تجمع مواد

هر چه دما بالاتر باشد، مولکول های هر ماده از هم دورتر هستند. فاصله آنها از یکدیگر منجر به نرم شدن ماده می شود که ابتدا مایع و سپس کاملاً گازی می شود. این فرآیند را می توان در مثال آهن مشاهده کرد که در بوته ای ذوب شده و حالت مایع به خود می گیرد. با افزایش شدید دما، می تواند گازی نیز شود، یعنی تبخیر شود، اما برای این کار دما باید واقعاً بالا باشد.

آب در دمای معمولی اتاق مایع است. با افزایش دما تبدیل به بخار می شود و با کاهش دما تبدیل به یخ می شود. از این گذشته، کاهش دما تأثیر معکوس بر مولکول ها دارد - آنها به هم نزدیک تر می شوند. و وقتی نزدیک می شوند، ماده سخت تر و متراکم تر می شود. همین اثر را می توان با فشار مکانیکی هر ماده به دست آورد - دوباره به دلیل نزدیکی مولکول ها سخت تر می شود.

جالب هست:

چرا شکر حل می شود؟

وقتی دما کاهش می یابد چه اتفاقی می افتد؟

هنگامی که آب در معرض دمای سرد قرار می گیرد، مولکول ها به هم نزدیک می شوند و اشکال شش ضلعی را تشکیل می دهند. البته اینها دانه های برف هستند که کریستال های آب هستند. خنک شدن آب و تبلور آن در واقع مترادف هایی هستند که همان فرآیند را توصیف می کنند. آب در دمای 0 درجه شروع به متبلور شدن می کند - این لحظه است که در مقیاس سانتیگراد صفر در نظر گرفته می شود. اگر مقیاس فارنهایت آمریکایی را در نظر بگیریم، انجماد آب در 32 درجه رخ می دهد.

اما برای ایجاد کریستال های آب، به یک پایه، مقداری ناخالصی یا سوسپانسیون نیاز دارید که به لطف آنها این فرآیند شروع می شود. و اگر آب کاملاً تمیز باشد، یک پدیده کمی متفاوت در اینجا مشاهده می شود - گاهی اوقات فقط در -40 درجه منجمد می شود و در صفر و سایر سطوح نه خیلی کم مایع باقی می ماند. با این حال، فقط در داخل منجمد نمی شود حالت آرام. اگر آن را در دمای زیر صفر تکان دهید، بلافاصله به یخ تبدیل می شود.

پارادوکس های زیادی در ارتباط با آب وجود دارد. و علاوه بر تفاوت ظریفی که قبلاً در بالا توضیح داده شد، باید توجه داشت که یخ حجم بیشتری از آن را اشغال می کند آب مایع، یعنی هنگام انجماد، این ماده منبسط می شود، در حالی که سایرین، برعکس، حجم کمتری را اشغال می کنند. دمای پایین. با انبساط آب در هنگام تشکیل یخ است که ترکیدن بشکه ها، لوله ها و سایر اجسام پر از آب برای زمستان همراه است.

در لحظه یخ زدن، مولکول ها کمی از یکدیگر دور می شوند که این اثر را می دهد. و همین عامل همراه با حباب های هوای یخ زده است که یخ را شناور می کند. اگر فرو رفت یا از پایین تشکیل شد، هیچکدام موجود زندهنمی تواند در زمستان در مخازن زنده بماند. اما یخ با تشکیل روی سطح و ماندن در آنجا، برعکس، گرمای آب را حفظ کرده و در زمستان عملکرد محافظتی ایفا می کند و به حیوانات، گیاهان و ماهی ها فرصت زمستان گذرانی و زنده ماندن را می دهد.

پاییز عمیق روزها کوتاه تر و کوتاه تر می شوند. خورشید برای یک دقیقه از پشت ابرهای سنگین بیرون می‌آید، با پرتوهای مورب خود روی زمین می‌لغزد و دوباره ناپدید می‌شود. باد سرد آزادانه در میان مزارع خالی و جنگل‌های برهنه راه می‌رود و در جای دیگری به دنبال گلی زنده یا برگی می‌گردد که به شاخه‌ای چسبیده است تا آن را بچیند، بلندش کند و سپس آن را در گودال، گودال یا شیار بیندازد. در صبح، گودال‌ها از قبل با تکه‌های ترد یخ پوشیده شده‌اند. فقط حوض عمیق هنوز نمی خواهد یخ بزند و باد هنوز سطح خاکستری آن را موج می زند. اما اکنون دانه های برف کرکی شروع به چشمک زدن کردند. آنها برای مدت طولانی در هوا می چرخند، گویی جرات نمی کنند روی زمین سرد و غیر مهمان نواز بیفتند. زمستان در راه است.

پوسته نازکی از یخ که ابتدا در نزدیکی سواحل حوضچه شکل گرفت، از وسط به سمت نقاط عمیق تر می خزید و به زودی تمام سطح با یخ شفاف پوشیده می شود. شیشه ی تمیزیخ. یخ زدگی و یخ غلیظ شد، تقریباً یک متر ضخامت. با این حال، پایین هنوز بسیار دور است. حتی در یخبندان های شدید آب زیر یخ باقی می ماند. چرا یک برکه عمیق تا ته یخ نمی زند؟ اهالی آب انبارها باید قدردان این یکی از ویژگی های آب باشند. این ویژگی چیست؟

معروف است که آهنگر ابتدا لاستیک آهنی را گرم می کند و سپس آن را روی لبه چوبی چرخ می گذارد. با سرد شدن لاستیک، کوتاه تر می شود و محکم در اطراف رینگ قرار می گیرد. ریل ها هرگز نزدیک به یکدیگر قرار نمی گیرند، در غیر این صورت، هنگامی که در آفتاب گرم می شوند، قطعا خم می شوند. اگر یک بطری پر روغن بریزید و آن را در آب گرم قرار دهید، روغن سرریز می‌شود.

از این مثال ها مشخص می شود که وقتی گرم می شوند، اجسام منبسط می شوند. وقتی سرد شدند منقبض می شوند. این تقریباً برای همه بدن ها صادق است، اما برای آب نمی توان این را بدون قید و شرط بیان کرد. برخلاف دیگر اجسام، آب هنگام گرم شدن رفتار خاصی دارد. اگر هنگام گرم شدن جسمی منبسط شود به این معناست که چگالی آن کمتر می شود، زیرا همان مقدار ماده در این جسم باقی می ماند ولی حجم آن زیاد می شود. هنگام گرم کردن مایعات در ظروف شفاف، می‌توان مشاهده کرد که چگونه لایه‌های گرم‌تر و در نتیجه کم‌تراکم‌تر از پایین بالا می‌آیند و لایه‌های سرد به پایین فرو می‌روند. به هر حال، این اساس یک دستگاه گرمایش آب با گردش طبیعی آب است. همانطور که آب در رادیاتورها سرد می شود، متراکم تر می شود، به پایین می افتد و وارد دیگ بخار می شود و آبی که قبلاً در آنجا گرم شده است را به سمت بالا جابجا می کند و در نتیجه چگالی کمتری دارد.

حرکت مشابهی در یک حوض رخ می دهد. آب با دادن گرمای خود به هوای سرد، از سطح حوضچه خنک می‌شود و به دلیل متراکم‌تر بودن، به سمت پایین فرو می‌رود و لایه‌های گرم و کم‌تراکم پایین‌تر را جابجا می‌کند. با این حال، چنین حرکتی فقط تا زمانی رخ می دهد که تمام آب به مثبت 4 درجه خنک شود. آب جمع آوری شده در پایین در دمای 4 درجه دیگر به سمت بالا بالا نمی رود، حتی اگر لایه های سطحی آن دمای پایین تری داشته باشند. چرا؟

آب در 4 درجه بالاترین چگالی را دارد. در تمام دماهای دیگر - بالاتر یا کمتر از 4 درجه - آب کمتر از این دما متراکم است.

این یکی از انحرافات آب از قوانین رایج در سایر مایعات، یکی از ناهنجاری های آن است (ناهنجاری انحراف از هنجار است). چگالی تمام مایعات دیگر، به عنوان یک قاعده، با شروع از نقطه ذوب، با گرم شدن کاهش می یابد.

بعد از خنک شدن حوض چه اتفاقی می افتد؟ لایه های بالایی آب کمتر و کمتر متراکم می شوند. بنابراین روی سطح می مانند و در صفر درجه به یخ تبدیل می شوند. با سرد شدن بیشتر، پوسته یخی رشد می کند و در زیر آن هنوز آب مایع با دمای بین صفر تا 4 درجه وجود دارد.

در اینجا، احتمالاً، بسیاری از مردم این سوال را دارند: چرا اگر لبه پایین یخ در تماس با آب باشد، ذوب نمی شود؟ زیرا لایه آبی که در تماس مستقیم با لبه زیرین یخ است دمای صفر درجه دارد. در این دما، یخ و آب به طور همزمان وجود دارند. برای اینکه یخ به آب تبدیل شود، همانطور که بعدا خواهیم دید، مقدار قابل توجهی گرما لازم است. اما این گرما وجود ندارد. لایه ای سبک از آب با دمای صفر درجه، لایه های عمیق تر آب گرم را از یخ جدا می کند.

اما حالا تصور کنید که آب مانند اکثر مایعات دیگر رفتار می کند. کمی یخبندان کافی است، مثل همه رودخانه ها، دریاچه ها و شاید دریاهای شمال، در طول زمستان تا ته یخ می زدند. بسیاری از موجودات زنده پادشاهی زیر آب محکوم به مرگ خواهند بود.

درست است، اگر زمستان بسیار طولانی و شدید باشد، بسیاری از آب هایی که خیلی عمیق نیستند می توانند تا ته یخ بزنند. اما در عرض های جغرافیایی ما این بسیار نادر است. یخ خود از یخ زدن آب به پایین جلوگیری می کند: گرما را به خوبی هدایت می کند و از خنک شدن لایه های پایینی آب محافظت می کند.