Home > Diverse > Fizica surprinzător de ciudată a apei
Diverse

Fizica surprinzător de ciudată a apei

Fizica surprinzător de ciudată a apei
Sursa imagine: Ernesto Rodriguez / Pixabay (free)

„Nimic nu este mai delicat şi mai flexibil decât apa, dar nimic nu i se poate opune.”

Înțeleptul chinez Lao Tzu a declarat acest paradox în textul său antic, „Tao Te Ching”. Într-adevăr, capacitatea apei de a se limpezi, de a calma și de a hrăni contrastul cu puterea sa brută, așa cum sunt prezentate de Niagara Falls, Grand Canyon (sculptat în timp de râul Colorado) și tsunami. În mod similar paradoxal, apa este atât extrem de familiară, formând aproape două treimi din propriile noastre corpuri, cât și acoperind trei sferturi din planetă și extrem de misterioasă. Deși o cunoașteți atât de bine, multe dintre proprietățile sale vă vor surprinde complet. Alții sunt atât de ciudați încât încă scapă înțelegerea științifică.

Cursa până jos

O persoană logică ar putea presupune că ar fi nevoie de mai mult timp pentru ca apa caldă să scadă scara temperaturii la 32 de grade Fahrenheit (0 grade Celsius) și să înghețe decât ar face apa rece. Dar, în mod ciudat, nu este întotdeauna cazul. Așa cum a fost observat pentru prima dată de un elev din Tanzania, liceul Erasto Mpemba, în 1963, apa fierbinte îngheață mai repede decât apa rece atunci când cele două corpuri de apă sunt expuse în același mediu subzero. Și nimeni nu știe de ce.

O posibilitate este că efectul Mpemba rezultă dintr-un proces de circulație a căldurii numit convecție. Într-un recipient cu apă, apa mai caldă se ridică spre vârf, împingând apa mai rece sub el și creând un „top fierbinte”. Oamenii de știință speculează că convecția ar putea cumva să accelereze procesul de răcire, permițând apei mai calde să înghețe mai repede decât apa mai rece, în ciuda a cât de mult mercur trebuie să acopere pentru a ajunge la punctul de îngheț.

Substanță alunecoasă

Un secol și jumătate de anchetă științifică nu a stabilit încă de ce gheața te poate face să cazi. Oamenii de știință sunt de acord că un strat subțire de apă lichidă pe gheață solidă îi provoacă alunecarea și că mobilitatea unui fluid face dificilă mersul pe el, chiar dacă stratul este subțire. Dar nu există un consens cu privire la motivul pentru care gheața, spre deosebire de majoritatea celorlalte solide, are un astfel de strat.

Teoreticienii au speculat că poate fi chiar actul de alunecare sau de patinare care face contactul cu gheața care topește suprafața gheții. Alții cred că stratul fluid este acolo înainte ca papucul sau patinatorul să ajungă vreodată și este cumva generat de mișcarea inerentă a moleculelor de suprafață. Știm că căutați pe cineva sau ceva de vină, întrucât vă aflați acolo la pământ, dar, din păcate, juriul este încă pe această temă.

Aquanaut

Pe Pământ, apa clocotită creează mii de bule mici de vapori. În spațiu, pe de altă parte, produce o bulă gigantică ondulantă. Dinamica fluidelor este atât de complexă încât fizicienii nu știau ce se va întâmpla cu fierberea apei în condiții de gravitație zero până când experimentul a fost finalizat la bordul unei navete spațiale în 1992. Ulterior, fizicienii au decis că fața mai simplă a fierberii în spațiu probabil rezultă din absența convecției și a flotabilității două fenomene cauzate de gravitație. Pe Pământ, aceste efecte produc frământările pe care le observăm în ceainicele noastre.

Lichid care levitează

Când o picătură de apă aterizează pe o suprafață mult mai fierbinte decât punctul său de fierbere, poate să treacă peste suprafață mult mai mult decât v-ați aștepta. Denumit efect Leidenfrost, acest lucru se întâmplă deoarece, atunci când stratul inferior al picăturii vaporizează, moleculele de apă gazoase din acel strat nu au de unde să scape, astfel încât prezența lor izolează restul picăturii și îl împiedică să atingă suprafața fierbinte de dedesubt. Picătura supraviețuiește astfel câteva secunde fără a fierbe.

Nebunie în membrana

Uneori apa pare să sfideze legile fizicii, menținându-se împreună, în ciuda încercărilor de gravitație sau chiar a presiunii obiectelor grele de a o rupe.

Aceasta este puterea tensiunii superficiale, o proprietate care face ca stratul exterior al unui corp de apă (și al altor lichide) să acționeze ca o membrană flexibilă. Tensiunea superficială apare deoarece moleculele de apă se leagă slab între ele. Datorită legăturilor slabe dintre ele, moleculele de la suprafață experimentează o atracție interioară din moleculele de sub ele. Apa se va lipi împreună până când forțele care le separă depășesc forța acestor legături slabe și rup spatiul.

În imaginea de mai sus, de exemplu, o agrafă se sprijină pe stratul superior al unui corp de apă. Deși metalul este mai dens decât apa și, prin urmare, ar trebui să se scufunde, tensiunea superficială împiedică clema să rupă suprafața apei.

Zăpadă care fierbe

Când există un gradient imens de temperatură între apă și aerul din exterior, spuneți, când un vas de apă clocotită de 100 C este stropit în aer, măsurând minus 30 F (-34 C), are loc un efect surprinzător. Apa clocotită se va transforma instantaneu în zăpadă și va sufla.

Explicația: Aerul extrem de rece este foarte dens, cu moleculele sale distanțate atât de strâns încât nu mai rămâne mult loc pentru transportul vaporilor de apă. Apa clocotită, pe de altă parte, emite vapori foarte ușor. Când apa este aruncată în aer, aceasta se sparge în picături, care au și mai multă suprafață pentru a se ridica vaporii. Aceasta prezintă o problemă. Se emit mai mulți vapori decât aerul poate ține, astfel încât vaporii „precipită afară” prin prinderea de particule microscopice din aer, cum ar fi sodiu sau calciu, și formând cristale. Aceasta este exact ceea ce intră în formarea fulgilor de zăpadă.

Spațiu gol

Deși forma solidă a fiecărei substanțe este mai densă decât forma sa lichidă, datorită faptului că atomii din solide se împachetează strâns împreună, acest lucru nu este valabil pentru H2O. Când apa îngheață, volumul său crește cu aproximativ 8%. Acesta este comportamentul ciudat care permite plutirea cuburilor de gheață și chiar a aisbergurilor gigantice.

Când apa se răcește până la punctul său de îngheț, există mai puțină energie care determină moleculele sale să se strecoare, astfel încât moleculele să poată forma legături de hidrogen mai stabile cu vecinii lor și să se blocheze treptat în poziție; acesta este același proces de bază care determină solidificarea tuturor lichidelor. Și la fel ca în alte solide, legăturile dintre moleculele din gheață sunt într-adevăr mai scurte și mai strânse decât legăturile libere din apa lichidă; diferența este că structura hexagonală a cristalelor de gheață lasă mult spațiu gol, ceea ce face ca gheața să fie mai puțin densă decât apa în ansamblu.

Excedentul de volum poate fi văzut uneori sub formă de „vârfuri de gheață” deasupra cuburilor de gheață din congelatorul dvs. Aceste vârfuri sunt compuse din excesul de apă care este stoarcă dintr-un cub de înghețarea înghețată (și în expansiune) din jurul său. Într-un recipient, apa tinde să înghețe din părțile laterale și inferioare spre centru și sus, astfel încât gheața să se extindă spre mijloc. Uneori, un buzunar de apă rămâne prins în mijloc cu nicăieri de fugit și se strecoară dintr-o gaură din partea de sus a cubului, înghețând în formă de jet.

Nu mai este altul ca el

 

Fizica surprinzător de ciudată

Credit foto: Kenneth Libbrecht, Caltech/ www.snowcrystals.com

După cum se spune, „nu există doi fulgi de zăpadă asemănători”. Într-adevăr, în întreaga istorie a zăpezii, fiecare dintre aceste frumoase structuri a fost complet unică. Iată de ce: Un fulg de zăpadă începe ca o simplă prismă hexagonală. Pe măsură ce fiecare fulg înghețat cade, se lovește de o gamă unică de condiții de schimbare a formei, inclusiv temperaturi diferite, niveluri de umiditate și presiuni ale aerului. Sunt suficiente variabile pentru ca formarea cristalelor să nu se întâmple niciodată în același mod de două ori.

Acestea fiind spuse, interesantul fulgilor de zăpadă este că cele șase brațe ale acestora cresc în sincronie perfectă, creând simetrie hexagonală, deoarece fiecare braț are aceleași condiții ca toate celelalte.

Recomandări autor