چرا آب به هنگام انجماد منبسط می‌شود؟ پاسخ کوتاه آسیموف

چرا آب به هنگام انجماد منبسط می‌شود؟ پاسخ کوتاه آسیموف

پیش از پاسخ دادن، نخست ممکن است این پرسش به نظر رسد که چرا یک جسم جامد، جامد است؟ و چرا یک جسم مایع، مایع؟

میان مولکولهای یک ماده، کشش مشخصی وجود دارد که آن‌ها را به طور پایدار، در مکانهای ثابت و در کنار هم نگه می‌دارد. در یک جسم جامد، مشکل بتوان مولکولها را از هم دور کرد و جامد بودن جسم نیز به همین سبب است.

اما، مولکولها انرژی حرکتی دارند و در حول مکان ثابت خود ارتعاش می‌کنند. هر چه دما بالاتر می‌رود، مولکولها انرژی بیشتر از بیشتری به دست می‌آورند و با شدت بیشتری ارتعاش می‌کنند. سرانجام آن قدر انرژی به دست می‌آورند که کشش میان مولکولها نمی‌تواند آن‌ها را در کنار هم نگه دارد. آن‌ها همبستگی میان خود را می‌گسلند و از مکان خود جابه جا می‌شوند، می‌لغزند و بر روی هم می‌سرند. جسم جامد به حالت مذاب درمی آید و مایع می‌شود.

بیشتر جامدات، بلورین هستند. یعنی مولکولهای آن‌ها نه‌تنها در مکانهای ثابت قرار می‌گیرند، بلکه در ردیفها و دسته‌های منظمی ثابت‌اند. هنگامی که مولکولها انرژی کافی به دست می‌آورند این نظم، گسسته می‌شود و جامد به شکل مایع در می‌آید.

تبلیغ:
دوره آموزش الکترونیکی: پداگوژی، ابزارها و تولید محتوای آموزشی

معمولا جایگیری منظم مولکولها در یک جامد بلورین نوعی نظم بسته است، میان مولکولها فضای کوچکی وجود دارد، اما هنگامی که ماده‌ای ذوب می‌شود، مولکولها با لغزیدن بر روی هم، به همدیگر فشار وارد می‌کنند. اثر کلی این فشار آن است که سبب می‌شود مولکولها اندکی از هم دور شوند. ماده منبسط می‌شود و چگالی کاهش می‌یابد. از این رو، عموما مایعات چگالی کمتری نسبت به جامدات دارند

از طرف دیگر، جامدات به هنگام ذوب منبسط و مایعات به هنگام انجماد منقبض می‌شوند، ولی این پدیده‌ها عمدتا بدان وابسته‌اند که استواری قرار گرفتن مولکولها چگونه است. برای مثال، مولکولهای آب در یخ در یک شکل‌گیری کاملا سست مرتب شده‌اند آن‌ها در آرایه‌ای سه بعدی، که فضاهای خالی در میانشان وجود دارد، در کنار هم قرار می‌گیرند.

با افزایش دما، مولکولها مکانهای خود را ترک می‌کنند و به طور مستقل به حرکت درمی آیند و کشش و رانش خود را از سر می گیرند. این حالت سبب دور شدن آن‌ها از همدیگر می‌شود و همچنین آن‌ها را به درون این فضاهای خالی می‌کشاند. آب مایع، که مولکولهای آن فضاهای خالی میان خود را پر کرده‌اند. جای کمتری نسبت به یخ جامد را می‌گیرد. اگر یک فوت مکعب یخ ذوب شود تنها ۰.۹ فوت مکعب آب به دست می‌آید.

چون یخ چگالی کمتری نسبت به آب دارد، در آب شناور می‌شود، از یک فوت مکعب یخ که در آب شناور است . ۰.۹ آن در زیر سطح آب فرو می‌رود، از هر قطعه یخ که در آب قرار دهیم یک دهم بر روی آب و تاد هم در زیر آب قرار می‌گیرد.

این امر برای حیات روی زمین باعث خوشوقتی است . یخ، موقعی که تشکیل می‌شود بر روی آب قرار می‌گیرد. در نتیجه، به صورت عایق، بخشهای پایینتر آب را از سطح آن جدا می‌کند و مانع قرار‌گر ما از زیر آب به طرف بیرون می‌شود. به همین سبب بخشهای زیرین آب، حتی در هوای بسیار سرد یخ نمی‌بندد. سپس در هوای گرم، یخ شناور در معرض گرمای خورشید قرار می‌گیرد و به سرعت ذوب می‌شود.

اگر یخ چگالتر از آب بود، به محض تشکیل شدن به نه آب فرو می‌رفت و می‌توانست سبب یخ زدن آبهای بیشتری شود. همچنین، یخهای واقع در ته آب نمی‌توانستند گرمایی از خورشید بگیرند و ذوب شوند. اگر چگالی یخ از چگالی آب بیشتر بود، تقریبا تمام ذخیره آب سیاره ما یخ می‌زد، حتی اگر فاصله زمین و خورشید از فاصله‌ای که اکنون دارند دورتر نبود.

دانشمند – اسفند ۱۳۶۵