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 a medida que aumente la temperatura, es decir, la expansión térmica Frío Contrariamente a las propiedades de la mayoría de las sustancias, en el 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 a medida que se enfría y se calienta entre 0 y 4 grados Celsius. La propiedad de la contracción tiene un importante impacto y significado en la vida de animales y plantas en ríos y lagos.
Cuando llega el frío invierno, a medida que baja la temperatura, la temperatura del agua en ríos y lagos también disminuye. Considere un lago determinado, 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, entonces el agua en la superficie del lago se volverá Más fría, por ejemplo, la temperatura desciende 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 de abajo, por lo que se hunde en el agua menos densa de abajo, y el agua de 10 grados Celsius El hundimiento del agua fría provoca un proceso de mezcla, y este proceso continúa hasta que toda el agua del lago se haya enfriado a 4 grados centígrados. Sin embargo, el agua de la superficie seguirá enfriándose por la temperatura. del agua superficial disminuirá aún más, por ejemplo, a 3 grados Celsius, el volumen de esta parte del agua no solo no se reducirá, sino que se expandirá, es decir, el agua superficial es menos densa que el agua de debajo, 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 pierde energía interna a través de la conducción del calor. por lo que la disipación de calor es relativamente lenta. La temperatura del agua superficial cae 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. 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. Dado que la disipación de calor hacia arriba a través de la conducción térmica es relativamente lenta y el calor geotérmico se conduce hacia arriba desde la parte inferior. 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 pasar el invierno de forma segura en el agua a 4 grados centígrados cerca del fondo. lago, evitando la desgracia de morir congelado.
Si la naturaleza del agua es como la de la mayoría de las demás sustancias, se expande con el calor y se contrae con el frío en todos los rangos de temperatura, entonces el agua con mayor temperatura seguirá haciéndolo. Sube a la superficie del agua y disipa el 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. el lago que no resista la congelación será destruido.