¿A qué temperatura el agua tiene la mayor densidad?
La densidad del agua es máxima a 4°C, lo que está determinado por la estructura especial de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Según las investigaciones modernas con rayos X, se ha demostrado que el hielo tiene una estructura cristalina tetraédrica. Este tetraedro se forma mediante enlaces de hidrógeno y es una estructura abierta y relajada, porque cinco moléculas de agua no pueden ocupar todo el volumen del tetraedro. En el hielo, los enlaces de hidrógeno conectan estos tetraedros y forman un todo. Esta disposición direccional y ordenada formada por enlaces de hidrógeno tiene una menor tasa de utilización del espacio, representando alrededor del 34%, por lo que la densidad del hielo es menor.
Cuando el agua se disuelve, rompe una gran cantidad de enlaces de hidrógeno, convirtiendo el conjunto en un grupo tetraédrico y esporádicos "grupos de moléculas de agua" más pequeños (es decir, algunas moléculas asociadas formadas por asociación de enlaces de hidrógeno). Por tanto, el agua líquida ya no está completamente ordenada como el hielo, sino que tiene un cierto grado de disposición desordenada, es decir, la distancia entre las moléculas de agua no es tan fija como en el hielo, y las moléculas de H2O pueden entrar de un cristalito tetraédrico a otro. en un microcristal. De esta forma, se reducen los espacios entre moléculas y aumenta la densidad.
Cuando la temperatura aumenta, los grupos tetraédricos de las moléculas de agua se destruyen continuamente, y la disposición desordenada de las moléculas aumenta, provocando que la densidad aumente. Pero al mismo tiempo, el movimiento térmico entre moléculas también aumenta la distancia entre moléculas, reduciendo la densidad. Estos dos factores contradictorios alcanzan el equilibrio a 4°C. Por lo tanto, la densidad del agua es máxima a 4°C. Después de 4°C, el movimiento térmico de las moléculas que aumenta la distancia entre las moléculas se vuelve dominante y la densidad del agua comienza a disminuir nuevamente.
La vida se beneficia de una expansión anormal
Sabemos que si la presión externa sobre el objeto se mantiene sin cambios, el volumen de la mayoría de los objetos aumentará con el aumento de la temperatura, es decir, la expansión térmica. Contracción en frío. Contrariamente a las propiedades de la mayoría de las sustancias, dentro del rango de temperatura de 0 a 4 grados Celsius, el volumen de agua disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esto significa que el agua se expande al enfriarse y se calienta entre 0 y 4 grados Celsius. La propiedad anormal de la contracción del agua tiene un impacto y una importancia importantes en la vida de los animales y las plantas en ríos y lagos.
Cuando llega el frío invierno, a medida que baja la temperatura, la temperatura del agua en los ríos y lagos disminuye. También disminuirá. Considere un lago, suponiendo que toda el agua del lago está a una temperatura determinada, como 10 grados Celsius, y luego suponiendo que la temperatura del aire en el lago es -10 grados Celsius, luego el agua del lago. La superficie del lago se volverá más fría, por ejemplo, la temperatura bajará a 9 grados Celsius, esta parte del agua se encoge a medida que se enfría y su densidad es mayor que la del agua más cálida que se encuentra debajo, por lo que se hunde en el agua menos densa que se encuentra debajo. , y el agua de 10 grados Celsius que se encuentra debajo se eleva. El hundimiento del agua fría provoca un proceso de mezcla, y este proceso continúa hasta que toda el agua del lago se enfría a 4 grados Celsius. Sin embargo, el agua de la superficie seguirá enfriándose. el aire frío si la temperatura del agua superficial disminuye aún más, por ejemplo a 3 grados centígrados, el volumen de esta parte del agua no se reducirá. Al contrario, se expandirá, es decir, la densidad del agua superficial aumentará. más pequeño que el del agua de abajo, por lo que flota en la superficie del agua y no se hunde. La convección y la mezcla se detienen en este momento (por supuesto, la difusión no se detiene), y el agua debajo de la superficie básicamente disipa la energía interna a través de la conducción de calor. El agua es un mal conductor del calor, por lo que la disipación del calor es relativamente lenta. La temperatura del agua superficial desciende a 0 grados Celsius antes de que el agua de abajo comience a congelarse. La densidad del hielo es menor que la del agua, por lo que siempre flota. sobre el agua sin hundirse. El agua debajo del hielo tiene una temperatura de 0 grados Celsius a 4 grados Celsius de arriba a abajo y se congela gradualmente de arriba a abajo, ya que la disipación de calor hacia arriba a través de la conducción térmica es relativamente lenta. Es el calor geotérmico conducido hacia arriba desde el fondo, la velocidad de congelación es lenta. Si el agua del lago es muy profunda, el agua del lago no se congelará. Los animales y plantas que viven en el lago pueden sobrevivir el invierno de forma segura. grados Celsius agua cerca del fondo del lago, evitando la desgracia de morir congelado
Si la naturaleza del agua es como la de la mayoría de las otras sustancias, se expande con el calor y se contrae con el frío en todos los rangos de temperatura, entonces. el agua con mayor temperatura continuará subiendo a la superficie del agua y disipando calor al aire, y la congelación del agua en el lago comenzará desde el fondo, fácilmente hará que toda el agua del lago se congele. de esta manera, toda la vida en el lago que no pueda resistir la congelación será destruida.