Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:19 • sest 21:35 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 25:18 • Sest 04:56 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 07:07 • Síðdegis: 19:24 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 01:08 • Síðdegis: 13:14 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: í daglegu lífi

Hvers vegna frýs vatn?

Halldór Svavarsson

Jón A. Stefánsson spurði 'Hvers vegna er eðlismassi vatns mestur við +4°C en annarra meiri eftir því sem þau kólna meira?'

Í vatnssameindinni eru tvær einingar af vetni (vetnisfrumeindir eða vetnisatóm, H) og ein eining af súrefni (O). Vatnssameindin hefur því efnatáknið H2O. Í fljótandi vatni eru þessar sameindir á stöðugri hreyfingu en eru lauslega tengdar hver við aðra með ákveðinni tegund efnatengja, svokölluðum vetnistengjum. Til einföldunar má ímynda sér sameindirnar sem litla veika segla sem loða hver við annan. Tengin milli þeirra eru stöðugt að myndast og rofna vegna hreyfingar sameindanna. Þegar vatnið kólnar minnkar orka sameindanna og hreyfing þeirra verður hægari. Þær verða því lengur að losa sig og þar kemur að lokum að þær festast nær allar hver við aðra og þá er einmitt frostmarki náð.

Hegðun vatns í þessu ferli er um margt mjög óvenjuleg og frábrugðin öðrum efnum. Þegar til dæmis bráðið járn (og nánast allir vökvar) kólnar dregst það saman og eðlismassi þess (massi deilt með rúmmáli) hækkar. Eftir að járnið frýs (storknar) heldur það einnig áfram að dragast saman eftir því sem það kólnar meira. Rúmmál vatns, hinsvegar, minnkar eftir því sem það kólnar þar til hitastigið nær 4°C en eykst eftir það þar til frostmarki er náð! Þegar vatnið svo frýs eykst rúmmál þess einnig í staðinn fyrir að minnka!

Þetta gerir meðal annars að verkum að ís flýtur í vatni eins og við öll vitum. Önnur afleiðing þessarar útþenslu er sú að bræðslumark íss lækkar eftir því sem þrýstingur eykst en ekki öfugt eins og hjá öðrum vökvum. Fræðilega séð getum við því brætt ís með því að þrýsta honum nógu fast á hvassa brún en átakið sem þarf ræðst reyndar af hitastigi íssins. Þó er vafasamt að við yrðum vör við þetta með berum augum þar sem einungis sá hluti íssins sem snertir brúnina myndi bráðna og frjósa svo jafnharðan aftur þegar þrýstingnum yrði aflétt. Streymi skriðjökla grundvallast til dæmis að nokkru leyti á þessu; vegna þrýstings við skarpar stein- og klettabrúnir nær ísinn sumstaðar að bráðna og losna auk þess sem vatnið verkar sem sleipiefni sem jöklarnir renna á.



Ís flýtur í vatni vegna þess að rúmmál vatns eykst þegar það frýs

Veltum nú aðeins fyrir okkur áhrifum þess að rúmmál vatns er í lágmarki við 4°C. Þegar tjarnir kólna vegna kólnandi lofts verður kælingin mest við yfirborðið. Meðan eðlismassi vatnsins eykst við kólnunina sekkur kælda yfirborðsvatnið til botns svo að kælingin verður í reynd jöfn eða svipuð út í gegn frá yfirborði til botns í tjörninni. Þegar hitastig vatnsyfirborðsins fer hins vegar undir 4°C hættir eðlismassi þess að aukast og fer að minnka í staðinn. Kalda vatnið hættir þá að sökkva til botns en flýtur ofan á heitara vatninu, nema þá að vatnið væri á mikilli hreyfingu. Þetta gerir það að verkum að vatnið frýs fyrst við yfirborðið og nær að einangra heitara vatnið frá frekari kólnun. Án þessara áhrifa mundu öll vötn botnfrjósa í frostum og dýralíf í þeim yrði lítið.

Hver er svo skýringin á þessari hegðun vatnsins? Eins og fram hefur komið áður á Vísindavefnum (svar við Eru engin tvö snjókorn eins?) raðast vatnsameindir í sexhyrninga þegar þær frjósa. Einfalda skýringarmynd af þessu má finna á slóðinni http://www.geog.ouc.bc.ca/physgeog/contents/8a.html. Hér á undan var sagt frá því að vatnssameindirnar hægðu á sér þegar vatnið kólnar. Þær eiga því ekki eins auðvelt með að slíta sig hver frá annarri og tíminn sem þær loða hver við aðra lengist. Við 4°C er pökkunin best og rúmmálið í lágmarki en við enn lægra hitastig byrja sameindirnar að raða sér upp í sexhyrninga á svipaðan hátt og í ískristalli. Við það að mynda sexhyrninga verður til mikið autt rúmmál inni í miðju þeirra og ísinn hefur því meira rúmmál en vatnið eða sem svarar tæpum 10%. Frá 4°C og niður í frostmark eru þessir sexhyrningar mjög skammlífir og eru til í aðeins brot af sekúndu. Við frostmark er samt svo komið að hraði sameindanna er orðinn of lítill til að þær geti losað sig frá nálægum sameindum og þær sitja því fastar og geta ekki lengur ferðast um - kristallur hefur myndast.

Sameindirnar hafa þó enn hreyfiorku sem kemur fram sem titringur þeirra í kristallinum. Ef frostið eykst hægir á þessum titringi og þannig lækkar orka þeirra.

Frekara lesefni af Vísindavefnum:

  • Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út? eftir Ágúst Kvaran

  • Frýs vatn alltaf við 0°C, sama hver loftþrýstingurinn er? eftir EÖÞ

  • Við hvaða hitastig frýs Mývatn? eftir ÞV

    • Mynd: Ísjaki - Sótt 02.06.10

    Höfundur

    Halldór Svavarsson

    Halldór Svavarsson

    dósent við tækni- og verkfræðideild Háskólans í Reykjavík

    Útgáfudagur

    16.3.2001

    Spyrjandi

    Sunneva Kiernan;
    Jón A. Stefánsson

    Efnisorð

    Tilvísun

    Halldór Svavarsson. „Hvers vegna frýs vatn?“ Vísindavefurinn, 16. mars 2001. Sótt 25. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=1386.

    Halldór Svavarsson. (2001, 16. mars). Hvers vegna frýs vatn? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=1386

    Halldór Svavarsson. „Hvers vegna frýs vatn?“ Vísindavefurinn. 16. mar. 2001. Vefsíða. 25. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=1386>.

    Chicago | APA | MLA

    Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

    Ég samþykki
    Spyrja

    Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

    Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

    Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

    Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

    Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

    Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

    =

    Senda grein til vinar

    =

    Hvers vegna frýs vatn?
    Jón A. Stefánsson spurði 'Hvers vegna er eðlismassi vatns mestur við +4°C en annarra meiri eftir því sem þau kólna meira?'

    Í vatnssameindinni eru tvær einingar af vetni (vetnisfrumeindir eða vetnisatóm, H) og ein eining af súrefni (O). Vatnssameindin hefur því efnatáknið H2O. Í fljótandi vatni eru þessar sameindir á stöðugri hreyfingu en eru lauslega tengdar hver við aðra með ákveðinni tegund efnatengja, svokölluðum vetnistengjum. Til einföldunar má ímynda sér sameindirnar sem litla veika segla sem loða hver við annan. Tengin milli þeirra eru stöðugt að myndast og rofna vegna hreyfingar sameindanna. Þegar vatnið kólnar minnkar orka sameindanna og hreyfing þeirra verður hægari. Þær verða því lengur að losa sig og þar kemur að lokum að þær festast nær allar hver við aðra og þá er einmitt frostmarki náð.

    Hegðun vatns í þessu ferli er um margt mjög óvenjuleg og frábrugðin öðrum efnum. Þegar til dæmis bráðið járn (og nánast allir vökvar) kólnar dregst það saman og eðlismassi þess (massi deilt með rúmmáli) hækkar. Eftir að járnið frýs (storknar) heldur það einnig áfram að dragast saman eftir því sem það kólnar meira. Rúmmál vatns, hinsvegar, minnkar eftir því sem það kólnar þar til hitastigið nær 4°C en eykst eftir það þar til frostmarki er náð! Þegar vatnið svo frýs eykst rúmmál þess einnig í staðinn fyrir að minnka!

    Þetta gerir meðal annars að verkum að ís flýtur í vatni eins og við öll vitum. Önnur afleiðing þessarar útþenslu er sú að bræðslumark íss lækkar eftir því sem þrýstingur eykst en ekki öfugt eins og hjá öðrum vökvum. Fræðilega séð getum við því brætt ís með því að þrýsta honum nógu fast á hvassa brún en átakið sem þarf ræðst reyndar af hitastigi íssins. Þó er vafasamt að við yrðum vör við þetta með berum augum þar sem einungis sá hluti íssins sem snertir brúnina myndi bráðna og frjósa svo jafnharðan aftur þegar þrýstingnum yrði aflétt. Streymi skriðjökla grundvallast til dæmis að nokkru leyti á þessu; vegna þrýstings við skarpar stein- og klettabrúnir nær ísinn sumstaðar að bráðna og losna auk þess sem vatnið verkar sem sleipiefni sem jöklarnir renna á.



    Ís flýtur í vatni vegna þess að rúmmál vatns eykst þegar það frýs

    Veltum nú aðeins fyrir okkur áhrifum þess að rúmmál vatns er í lágmarki við 4°C. Þegar tjarnir kólna vegna kólnandi lofts verður kælingin mest við yfirborðið. Meðan eðlismassi vatnsins eykst við kólnunina sekkur kælda yfirborðsvatnið til botns svo að kælingin verður í reynd jöfn eða svipuð út í gegn frá yfirborði til botns í tjörninni. Þegar hitastig vatnsyfirborðsins fer hins vegar undir 4°C hættir eðlismassi þess að aukast og fer að minnka í staðinn. Kalda vatnið hættir þá að sökkva til botns en flýtur ofan á heitara vatninu, nema þá að vatnið væri á mikilli hreyfingu. Þetta gerir það að verkum að vatnið frýs fyrst við yfirborðið og nær að einangra heitara vatnið frá frekari kólnun. Án þessara áhrifa mundu öll vötn botnfrjósa í frostum og dýralíf í þeim yrði lítið.

    Hver er svo skýringin á þessari hegðun vatnsins? Eins og fram hefur komið áður á Vísindavefnum (svar við Eru engin tvö snjókorn eins?) raðast vatnsameindir í sexhyrninga þegar þær frjósa. Einfalda skýringarmynd af þessu má finna á slóðinni http://www.geog.ouc.bc.ca/physgeog/contents/8a.html. Hér á undan var sagt frá því að vatnssameindirnar hægðu á sér þegar vatnið kólnar. Þær eiga því ekki eins auðvelt með að slíta sig hver frá annarri og tíminn sem þær loða hver við aðra lengist. Við 4°C er pökkunin best og rúmmálið í lágmarki en við enn lægra hitastig byrja sameindirnar að raða sér upp í sexhyrninga á svipaðan hátt og í ískristalli. Við það að mynda sexhyrninga verður til mikið autt rúmmál inni í miðju þeirra og ísinn hefur því meira rúmmál en vatnið eða sem svarar tæpum 10%. Frá 4°C og niður í frostmark eru þessir sexhyrningar mjög skammlífir og eru til í aðeins brot af sekúndu. Við frostmark er samt svo komið að hraði sameindanna er orðinn of lítill til að þær geti losað sig frá nálægum sameindum og þær sitja því fastar og geta ekki lengur ferðast um - kristallur hefur myndast.

    Sameindirnar hafa þó enn hreyfiorku sem kemur fram sem titringur þeirra í kristallinum. Ef frostið eykst hægir á þessum titringi og þannig lækkar orka þeirra.

    Frekara lesefni af Vísindavefnum:

  • Getur vatn frosið ef það getur ekki þanist út? eftir Ágúst Kvaran

  • Frýs vatn alltaf við 0°C, sama hver loftþrýstingurinn er? eftir EÖÞ

  • Við hvaða hitastig frýs Mývatn? eftir ÞV

    • Mynd: Ísjaki - Sótt 02.06.10...