Miért úszik a jég a vízen?

Talán egy hideg, frissítő ital egy forró napon nem tűnne olyan vonzónak, ha a jégkockák kődarabként hullanának a pohár aljára. De miért úszik a jég a vízen? Sőt, miért úszik egyáltalán bármi is?

Mitől lebeg valami?

A víznél kisebb sűrűségű tárgy lebegni fog. Ezt a jelenséget az Arkhimédész-elvnek nevezett elmélet segítségével magyarázhatjuk meg.

Mielőtt folytatnád, figyelmeztetünk: a következő magyarázat sok matematikát fog tartalmazni.

Ha egy tárgyat egy pohár vízbe helyezünk, akkor az felhajtóerőt érez, amely a gravitációval szemben felfelé nyomja. Ahhoz, hogy a tárgy teljesen vagy részben víz alatt legyen, a víz egy részét ki kell szorítania – amit az emelkedő vízszintben láthatsz.

Arkhimédész elve szerint a víz alá merült tárgyat felfelé nyomó felhajtóerő megegyezik a kiszorított víz súlyával. Egy tárgy tömege egyenlő a tömegének és a g-nek, a gravitáció okozta gyorsulásnak a szorzatával. Tehát a felfelé ható felhajtóerő – nevezzük FB-nek, a felhajtóerő miatt – egyenlő a víz tömege x g-vel.

A sűrűség a tömeg osztva a térfogattal, amit átrendezhetünk úgy, hogy a tömeg a sűrűség szorozva a térfogattal. Tehát azt mondhatjuk, hogy a FB, a felhajtóerőnk, tehát egyenlő a víz sűrűsége x víz térfogata x g.

Ahhoz, hogy valami lebegjen, a felfelé ható felhajtóerőnek legalább akkorának kell lennie, mint a gravitációs erő. Mi határozza meg tehát, hogy ez megtörténik-e? Ez arra a felismerésre vezethető vissza, amely miatt Arkhimédész „Heuréka!” kiáltással ugrott ki a kádjából, és meztelenül futott végig az utcán: rájött, hogy a kiszorított víz térfogata egyenlő a víz alatt lévő tárgy térfogatával.

Tehát, ha a víz térfogata egyenlő a víz alá merült tárgy térfogatával, akkor a FB felhajtóerőnk egyenlő a víz sűrűsége x a víz alá merült tárgy térfogata x g.

Ennek a felhajtóerőnek legalább akkorának kell lennie, mint a gravitációs erő. Mekkora a tárgyra ható gravitációs erő? Nos, ez a tárgy súlya: a tárgy tömege x g. Használhatjuk ugyanazt a trükköt, mint korábban, és azt mondhatjuk, hogy a tárgy súlya, amelyet W-nek fogunk nevezni, egyenlő a tárgy sűrűsége x a víz alá merült tárgy térfogata x g-vel.

Ez majdnem pontosan megegyezik az FB kifejezéssel, egyetlen különbséggel: a sűrűséggel. Tehát a felhajtóerő kiegyenlíti a gravitációs erőt, ha a tárgy sűrűsége kisebb, mint a víz sűrűsége.

Az egész fizika egy egyszerű szabályra vezethető vissza: egy tárgy akkor fog úszni a vízen, ha kisebb a sűrűsége.

Miben sűrűbbek a szilárd testek, mint a folyadékok?

Egy szilárd anyag akkor fog lebegni egy folyadékon, ha az kevésbé sűrű, de ritka, hogy egy anyag szilárd formája kisebb sűrűségű legyen, mint a folyadék.

Egy anyag alkothat olyan halmazállapotokat, amelyek csak a részecskék elrendeződésében különböznek egymástól. A szilárd anyagban a molekulák szorosan egymás mellé rendezett, rendezett, ismétlődő mintázatba, az úgynevezett kristályrácsba tömörülnek.

Amikor egy szilárd anyagot melegíteni kezdünk, a molekulái energiát nyernek, és erősebben rezegnek a helyükön. Végül annyi energiát nyernek, hogy már nem tudják őket a helyükön tartani, és kiszabadulnak a rácsból. Ez a folyadék: a molekulák szabadon mozoghatnak, de általában meglehetősen közel maradnak egymáshoz.

Ha tovább melegítjük, a molekulák végül teljesen elszakadnak egymástól, és gázt alkotnak.

Ahogy az anyag minden egyes fázisváltáson keresztülmegy, egyre kisebb lesz a sűrűsége.

Miért kevésbé sűrű a jég, mint a víz?

Ha a szilárd anyagok sűrűbbek, mint a folyadékok, miért úszik a jég a vízen? Mert a víz egy speciális eset. A vízben lévő molekulákra a hidrogénkötésnek nevezett jelenség hat.

A vízmolekula egy V alakú molekula, amely középen egy oxigénatomból és mindkét oldalán egy-egy hidrogénatomból áll. A molekulát kovalens kötések tartják össze, vagyis amikor két atom megosztja egymással az elektronpárt.

Az oxigénatom azonban sokkal erősebben vonzza ezeket a negatív töltésű elektronokat, mint a hidrogénatomok. Ennek eredményeként az elektronok hajlamosak közelebb lebegni az oxigénatomhoz, mint bármelyik hidrogénatomhoz. Ezáltal a molekula egésze az oxigén vége körül enyhén negatív, a hidrogén vége körül pedig enyhén pozitív töltéssel rendelkezik.

Mivel az ellentétek vonzzák egymást, a különböző molekulák enyhe töltései kölcsönhatásba lépnek egymással. Ezeket a kölcsönhatásokat hidrogénkötéseknek nevezzük (amelyek technikailag nem is kötések).

Folyékony formában, ahogy a molekulák mozognak, a hidrogénkötések újra és újra kialakulnak és megszűnnek, és a molekulák el tudnak csúszni egymás mellett.

Ahogy azonban a víz lehűl, elkezd kristályrácsos szerkezetűvé alakulni. Miközben a molekulák hidrogénkötéseket akarnak kialakítani az enyhe pozitív és negatív töltések között, az azonos töltések taszítják egymást, megakadályozva, hogy a molekulák túl közel kerüljenek egymáshoz. Az eredmény egy olyan szerkezet, amely valamivel kisebb sűrűségű, mint a folyékony víz.

Meg lehet-e akadályozni a jég tágulását?

A víz körülbelül 4 °C-os hőmérsékleten a legsűrűbb. Ha tovább hűtjük, ismét tágulni kezd, és ha már teljesen jéggé szilárdult, akkor körülbelül 9 százalékkal nőtt a térfogata. A táguló jég által kifejtett nyomás nem végtelen, de óriási.

A jég térfogati modulusa körülbelül 8,8 x 109 pascal. Ez azt jelenti, hogy ha egy teli víztartályt lezárunk és megfagyasztunk, akkor a tartály oldalaira nehezedő nyomás körülbelül 790 megapascal vagy 114 000 font per négyzetcentiméter lesz. Ez 7800 atmoszféra, és a London South Bank University professzora, Martin Chaplin, e bizarr anyag tulajdonságainak világelső szakértője szerint nincs olyan anyag a Földön, amely képes lenne ellenállni a keletkező nyomásnak. – Robert Matthews

Ha nem lenne hely a táguláshoz, akkor is megfagyna a víz?

Ha a vizet egy nagyon erős, merev edénybe tesszük, és tovább hűtjük, a nyomás emelkedni kezd, mivel egyre több molekula veszi fel a rácsszerkezetet, és nyomja a még szabad folyékony állapotban lévő molekulákat. Ha a tartály nem törik össze, a nyomás nagyon gyorsan emelkedni fog, míg végül 200 megapaszkál (nagyjából 2000 atmoszféra) körül az atomok újra elkezdenek átrendeződni egy új, tömörebb konfigurációba.

A jégnek 13 olyan formája ismert, amelyek különböző hőmérsékleten és nyomáson stabilak. A közönséges jeget Ih jégnek nevezik, míg a nagynyomású változatok közül a legsűrűbbet III jégnek. Egy zárt tartályban a tágulási nyomás eléri az egyensúlyi pontot, és a víz Ih jég és III jég keverékeként fagy meg. – Keiron Allen