Лёд менее плотный, чем жидкая вода
Кубик льда плавает, потому что плотность обычного льда ниже плотности жидкой воды. Плотность — это отношение массы к объёму. Если одинаковая масса занимает больше места, плотность становится меньше. Геологическая служба США (USGS) указывает, что при замерзании воды плотность уменьшается примерно на девять процентов в обычных условиях. Льдина погружается настолько, чтобы вытесненная ею вода уравновесила её вес. Поэтому у айсбергов над поверхностью заметна лишь небольшая часть общего объёма.
Водородные связи и структура кристалла
Молекулы воды притягиваются друг к другу благодаря водородным связям. В жидкой воде они постоянно движутся, а структура непрерывно перестраивается. При образовании обычного льда молекулы формируют более упорядоченную и открытую кристаллическую решётку, удерживающую их дальше друг от друга. То же количество вещества занимает больше места. Не нужно думать, что лёд держится на поверхности только из-за пузырьков воздуха: даже прозрачный лёд без пузырьков имеет меньшую плотность, чем жидкая вода.
Почему большинство твёрдых веществ ведут себя иначе
Для многих материалов переход из жидкости в твёрдое состояние позволяет частицам расположиться плотнее, поэтому твёрдый кусок тонет в расплаве того же вещества. У воды в привычном диапазоне температур возникает исключение из-за структуры водородных связей. Простой опыт — опустить чистый кубик льда в стакан воды и увидеть, что большая его часть находится под поверхностью. Точная доля погружения зависит от примесей, пузырьков и разницы между пресной и солёной водой.
Почему важна температура около 4 °C
Пресная жидкая вода при обычном давлении наиболее плотная примерно при 4 °C, а не при самом замерзании. Если охлаждение продолжается, более холодная вода становится менее плотной и при подходящих условиях остаётся ближе к поверхности. Там образуется лёд, а ниже вода может оставаться жидкой. В реальных озёрах картину изменяют течения, ветер, глубина и растворённые соли. USGS подчёркивает, что эта особенность воды помогает водным организмам переживать зимние периоды под ледяным покровом.
Почему айсберг почти весь скрыт под водой
Айсберг держится на плаву за счёт выталкивающей силы окружающей воды. Морская вода солонее и обычно плотнее пресной, поэтому доля айсберга над поверхностью немного отличается от кубика в стакане. Морской лёд также содержит различные количества соли, пузырьков и примесей. Таяние уже плавающего морского льда отличается от попадания в океан льда, лежавшего на суше, что важно для понимания уровня моря. Один школьный опыт не объясняет все процессы в полярных океанах.
Простой опыт с кубиком льда
Налейте воду в прозрачный стакан и аккуратно положите кубик льда. Отметьте уровень жидкости, подождите, пока лёд растает, и сравните отметку. Для обычного пресного плавающего льда таяние в основном компенсирует уже вытесненную воду, поэтому уровень почти не меняется. Не используйте слишком хрупкую посуду при резких изменениях температуры. Такой опыт связывает выталкивающую силу, плотность и изменение агрегатного состояния. Другие объяснения: /ru/guides/why-moon-orange-near-horizon/, /ru/guides/how-fog-forms-types-and-safety/ и /ru/topics/nature/.
Материал носит справочный характер. Перед важными решениями сверяйтесь с актуальными официальными источниками и, при необходимости, советуйтесь со специалистом.
Поделиться статьёй
