האנומליה של המים

שם: שון רבנקו כתה: ז6

הגדרה

האנומליה של המים היא מושג בפיזיקה המתאר תופעה מיוחדת המאפיינת את המים: נפחם במצב מוצק (קרח) גדול יותר מאשר במצב צבירה נוזלי. תופעה זו מנוגדת לתכונת רוב החומרים המתכווצים במצב מוצק.
Big image

המבנה האטומי של גביש קרח (ימין), לעומת זה של מים נוזליים (שמאל)

בדרך כלל חומר נוטה להתכווץ עם ירידת הטמפרטורה שלו ולהתפשט עם עלייתה. לכן נפחם של רוב החומרים יורד עם ירידת הטמפרטורה, וצפיפותם עולה. לכל חומר במצב נוזלי ישנה טמפרטורה אופיינית לו, שבה הוא קופא (הופך מנוזל למוצק). גם לאחר הפיכתו למוצק ימשיך נפחו לרדת ככל שהטמפרטורה שלו תוסיף ותרד. זאת משום שהטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הפנימית של חלקיקי החומר, כלומר למידת התנועה והתנודה שלהם. ירידת הטמפרטורה משמעה הקטנת כמות הדחיפות וההתנגשויות הפנימיות בין חלקיקי החומר. במצב מוצק, חלקיקי החומר איטיים עד כדי כך שהם כמעט ואינם משנים את מיקומם היחסי ומסודרים זה לצד זה במבנה מוגדר מסוים וצפוף. המיוחד במים הוא שהורדת הטמפרטורה שלהם אכן גורמת לירידת נפחם, אך זאת רק עד לגבול של כ-4 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו נפחם של המים כנוזל הוא הקטן ביותר. כאשר ממשיכים לקרר אותם מתחת ל-4 מעלות צלזיוס, מתחיל נפחם לחזור ולגדול, עד לקפיאתם והתמצקותם לקרח, בטמפרטורה של אפס מעלות צלזיוס. אך זהו רק חלק אחד של האנומליה. בנקודת הקפיאה מגיע לידי ביטוי חלקה השני: נפחו של הקרח בנקודת הקיפאון גדול בכ-10 אחוזים מנפח המים שמהם הוא נוצר. שלא כבחומרים אחרים, הנפח ממשיך לעלות עם ירידת הטמפרטורות מעבר לנקודת הקיפאון.

צפיפות קרח ב-0° - 0.917 גרם לסמ"ק

צפיפות מים ב-0° - 0.998 גרם לסמ"ק

ב-4° צפיפות המים מרבית: 1 גרם לסמ"ק