Фізичні властивості води
Щільність води і льоду
Життєво важливою для всієї біосфери є здатність води при замерзанні зменшувати, а не збільшувати свою щільність (як це відбувається майже з усіма іншими речовинами). Вісмут в цьому відношенні поводиться, як вода, але він є одним з вкрай рідкісних винятків із загального правила. Вперше на це незвичайне властивість води звернув увагу ще Г. Галілей. Справді, при переході рідини в твердий стан молекули речовини як ніби повинні розташовуватися тісніше, а саме речовина має ставати, щільніше. Зазвичай речовини так і поводяться. Але вода являє виняток. Якщо взяти звичайну воду і, поступово охолоджуючи її, стежити за зміною щільності то можна помітити, що на початку буде відбуватися абсолютно звичайний і природний процес - вода стає при охолодженні все щільніше і щільніше, і ніяких відхилень від норми ми не побачимо доти, поки не охолодити воду до 4 ° C. Нижче цієї температури всупереч загальним уявленням вода раптом стає легше, а замерзаючи вона робиться ще легше і утворює лід, який плаває по поверхні води. Замерзаючи, вода розширюється на 9% по відношенню до колишнього обсягу. Це розширення може виявитися фатальним для водопроводу в разі настання несподіваних морозів. Вода, замерзаючи в трубах, розірве їх.
Саме ця особливість води, як відомо оберігає від суцільного промерзання в суворі зими озера і ставки і тим самим рятує життя в цих водоймах. Осіннє повітря охолоджує поверхневі шари озера, вони стають важчими і опускаються на дно. Озеро охолоджується. Але цей процес йде лише до тих пір, поки температура води не досягне 4 ° C. Якщо тепер поверхневі шари стануть ще холодніше, то вони вже не опускаються на дно, так як щільність цих шарів менше щільності глибинної води, де зберігається температура 4 ° C. Відмінності в щільності не великі - ці відмінності виявляються лише в четвертому знаку після коми, - але цих відмінностей цілком достатньо, щоб вода з температурою, близькою до 0 ° C не могла проникнути в глибину озера. Процес охолодження поверхневих шарів піде тепер швидше і незабаром свинцева гладь озера закриється першим крихким льодом. Лід - поганий провідник тепла, надійно сховає від страшних зимових морозів життя озера. Такий циркуляцією пояснюється, чому на більш дрібних ділянках озера лід утворюється раніше і надалі він товщі.
Різницею в температурах верхніх і нижніх шарів води користуються при роботі земснарядів в зимових умовах. За допомогою насосів з більш глибоко частини водойми накачують воду в поверхневі шари, що попереджають утворення льоду в працюючого агрегату.
А ось морська вода (що представляє собою, як відомо, розсіл, в кожному літрі якого міститься близько 35 грамів солей) при охолодженні поводиться зовсім по-іншому: найбільша щільність у неї відзначається при більш низьких температурах, ніж у прісній, а саме при - 3,5 ° C. Але замерзає морська вода при -1,9 ° C, тобто вона перетворюється на лід не досягаючи максимальної щільності.
Якщо при плавленні льоду об'єм отриманої рідини менше, ніж обсяг взятого льоду, то можна зробити припущення, що перехід льоду в рідкий стан буде полегшений, якщо лід піддати тиску, тобто зближенню кристалів між собою. Справді, якщо надати на лід високий тиск, то температура плавлення його знижується. Так, під тиском в 2045 атм (на 1 см 2) лід буде плавитися при температурі -22 ° C. Подальше підвищення тиску вже не знижує температуру плавлення, так як утворюються нові форми льоду з новими властивостями. Здатністю льоду танути при більш низькій температурі під великим тиском пояснюється і те, що у льодовиків, товщина яких величезна, танення біля основи починається раніше ніж на поверхні.