انبساط غیرخطی آب

طبق رابطه چگالی با دما، هر چه دما كاهش یابد چگالی زیاد می‌ گردد، بنابراین هر چه آب سردتر شود چگالی آن زیاد شده و در نتیجه به عمق ظرف حاوی آب می ‌رود. بنابراین آب عمق دریاچه بایستی سردتر از آب سطح دریاچه باشد.

پس چرا در سرمای شدید اول سطح آب دریاچه یخ زده و بعد قسمت های پایین دریاچه یخ می ‏بندد؟

چرا در اغلب موارد عمق دریاچه‌ ها یخ نمی بندد؟

آب یك استثنای بسیار جالب است كه كمك خیلی زیادی به زندگی آبزیان می‏ كند. وقتی دمای آب، مثلاً از 20cتا 4c كاهش می ‏یابد متناظراً حجم آب كاهش یافته و چگالی آن افزایش می‏یابد و این امر باعث پایین رفتن آب سرد و بالا آمدن آب گرم می ‏شود. اما از این به بعد با كاهش دما، حجم آب افزایش یافته بنابراین چگالی آن كم می ‏شود. حتی وقتی آب تغییر حالت می‏ یابد و به یخ تبدیل می‏ شود باز هم حجم آن افزایش یافته و چگالی آن كم می ‌شود. بر همین اساس چگالی یخ از آب كمتر است. بنابراین یخ (یا كوه‏های یخی) بر روی آب شناور می ‌شوند.

برای مشاهده فیلم کلیک کنید.

افزایش حجم آب در حین انجماد گاهی دردسر آفرین می ‌شود. به عنوان

مثال این امر باعث شكستن ظرف شیشه‏ای پر از آب داخل فریزر می‏ گردد (كه در ابتدای این مبحث به عنوان سؤال مطرح شده بود). 

در تصویر مقابل ظرف فلزی  را مشاهده می ‌كنید كه محتوی آب بوده و درب آن محكم بسته شده است.

حال این مجموعه را در مخلوط آب و یخ قرار می ‌دهیم. (تصویر سمت راست)

آیا انبساط غیر خطی آب توان شكستن ظرف را دارد؟ برای مشاهده پاسخ به فیلم زیر توجّه كنید.

برای مشاهده فیلم کلیک کنید.

آیا قدرت انبساط آب قابل توجّه است؟

در نمودار زیر تغییر حجم آب را بر حسب دما مشاهده می‏ كنید.

در این نمودار نیز تغییر چگالی آب را بر حسب دما مشاهده می‏ كنید.

بنابراین مطابق شكل ‏های زیر در هوای گرم، كمترین دمای آب در عمق دریاچه یافت می ‏شود و هر چه به سطح آب نزدیك می ‏شویم دمای آب افزایش می ‏یابد.

امّا با سرد شدن هوا، آب سطح سرد می ‏شود و به زیر می ‏رود و آب گرم بالا آمده تا در نهایت كل آب دریاچه به 40c برسد. از این به بعد با سرد شدن بیشتر هوا، سطح آب سردتر می ‏شود ولی چون دمای آن كمتر از 40c‏می‌ شود، دیگر آب به قسمت پایین نمی‏ رود، بنابراین سطح آب سردتر و سردتر می‏ شود تا در دمای انجماد قرار گرفته و در نتیجه سطح آب یخ می‎ بندد.

---

پرسش:

الف) دانش آموزی ادعا می كند كه دماسنج وسیلة بی فایده ای است زیرا دمای خود دماسنج را نشان می دهد. شما به او چه جوابی می دهید؟

ب) چرا آب و هوای اطراف دریاها معتدل است؟

ج) آیا همیشه پدیده همرفتی در آب روی می دهد؟

پاسخ:

الف) از آنجا كه شیشه بدنه دماسنج نازك است و دماسنج به مدت كافی در مجاورت جسم قرار می گیرد بنابراین با دقت كافی دمای جسم و دماسنج برابر خواهد بود و اگر دماسنج دمایی نشان دهد همان دمای حجم می باشد. اگر ضخامت شیشه بدنه دماسنج زیاد باشد دقت اندازه گیری كاهش می یابد.

ب) از آنجایی كه ظرفیت گرمای آب زیاد است بنابراین در طول روز گرمای خورشید باعث افزایش دمای محسوس آب نمی شود و در هنگام شب كه گرمای آب از دست می رود. به علت ظرفیت گرمای بالای آب دمای آب نیز زیاد تغییر نمی كند و این ثبات در دما باعث معتدل بودن هوای اطراف دریاها می گردد.

ج) پدیده همرفتی در سیالات (گازهاو مایعات) روی می دهد زیرا مایع یا گاز گرم سبك است و بالا آمده و مایع و گاز سرد سنگین است و به پایین می رود. امّا به علت انبساط غیر معمول آب از دمای 4 درجه به صفر درجه، آب 4 درجه سنگین تر از آب صفر درجه خواهد بود.

در این دماسنج استثنایی، اگر محیط گرم شود، جیوه و شیشه هر دو منبسط می شوند ولی از آنجا كه انبساط شیشه بیشتر است بنابراین سطح جیوه پایین می آید، بنابراین برای بالا رفتن سطح، جیوه با دماسنج را در محیط سرد قرار دهیم بنابراین پاسخ صحیح گزینه (ب) خواهد بود.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی

تنظیم: مریم فروزان کیا