كيف يتجمد الماء؟

عندما يتجمد الماء ينتقل عادة من السائل إلى الحالة الصلبة. كسائل ، جزيئات الماء في حركة مستمرة ، تتصادم وتتصارع بعضها البعض ولا تبقى أبدًا في مكان واحد لفترة طويلة. عندما يتجمد الماء ، تتباطأ الجزيئات وتستقر في مكانها ، وتصطف في تكوينات منتظمة تراها على شكل بلورات. بالنسبة للمياه النقية ، يجب أن تنخفض درجة الحرارة إلى 32 درجة فهرنهايت (صفر درجة مئوية) حتى يحدث هذا. بالنسبة لأي مادة ، تعتمد درجة الحرارة التي يحدث عندها التجمد على القوى التي تجعل جزيئاتها تلتصق ببعضها البعض.

كل الجزيئات والذرات لها قوى تجذب إحداهما إلى الأخرى. بعض الذرات ، مثل الكربون ، تتشبث ببعضها بقوة شديدة ؛ البعض الآخر ، مثل الهليوم ، لديه القليل من القوة الجذابة. تتجمد المواد ذات قوى الجذب القوية عند آلاف درجات فهرنهايت ، بينما تتجمد المواد التي تكون قواها ضعيفة ، مثل النيتروجين ، في درجات حرارة شديدة البرودة. التجاذب بين جزيئات الماء معتدل - ليس ضعيفًا ولا قويًا - لذلك يتجمد الماء عند 32 درجة فهرنهايت متواضعة.

إذا قمت بإضافة مواد أخرى إلى الماء ، مثل السكر أو الملح ، تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 32 درجة قبل أن يبدأ الجليد في التكون. تعتمد نقطة التجمد الجديدة على المادة المضافة ومقدار الاختلاط بالماء ، ولهذا السبب تضع المدن الملح على الطرق في بعض الولايات لإزالة الجليد والثلج في الشتاء. كمثال آخر ، تبقى الفودكا ، وهي خليط من الماء والكحول ، سائلة لفترة طويلة عند حفظها في الفريزر. يقلل الكحول الموجود في الفودكا من درجة التجمد بشكل كبير.

تتقلص معظم المواد أو تنكمش في الحجم عندما تبرد. تتعاقد المياه فقط حتى تنخفض إلى 39 درجة ؛ في درجات حرارة منخفضة ، يبدأ في التوسع. عندما يصبح الماء أكثر برودة ، تتباطأ جزيئاته وترتب نفسها بحيث توجد فجوات بين مجموعات الجزيئات. عندما تصبح أكثر برودة ، تشكل الجزيئات أنماطًا سداسية تصبح في النهاية رقاقات ثلجية وبلورات مرتبطة بها.

إذا ملأت زجاجة مملوءة بالماء تمامًا ، ثم أغلقها بغطاء قبل وضعها في الفريزر ، فسيتمدد الماء عندما يصبح أكثر برودة. في النهاية ، سوف ينفجر الثلج الزجاجة. هذا صحيح حتى بالنسبة للحاويات المصنوعة من مواد قوية مثل الحديد ؛ يصل الضغط الناتج عن تجميد الماء إلى 40000 رطل لكل بوصة مربعة عند 7.6 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 22 درجة مئوية).