איך מים קופאים?

כאשר מים קופאים הם בדרך כלל עוברים מהנוזל למצב מוצק. כנוזל, מולקולות מים נמצאות בתנועה מתמדת, חובטות ודוחפות זו את זו ולעולם אינן נשארות במקום אחד זמן רב. כאשר מים קופאים, המולקולות מאטות ומתמקמות במקומן, ומתאגרות בתצורות קבועות שאתה רואה כגבישים. עבור מים טהורים, הטמפרטורה חייבת לרדת ל 32 מעלות פרנהייט (אפס מעלות צלזיוס) כדי שזה יקרה. עבור כל חומר, הטמפרטורה בה מתרחשת הקפאה תלויה בכוחות שגורמים למולקולות שלו להיצמד זו לזו.

לכל המולקולות והאטומים יש כוחות שמושכים אחד לשני. אטומים מסוימים, כמו פחמן, נאחזים זה בזה חזק מאוד; לאחרים, כמו הליום, יש כוח מושך מעט מאוד. חומרים בעלי כוחות משיכה חזקים קופאים באלפי מעלות פרנהייט, ואילו אלו שכוחותיהם חלשים, כמו חנקן, קופאים בטמפרטורות קפואות מאוד. המשיכה בין מולקולות מים מתונה - לא חלשה ולא חזקה - ולכן מים קופאים בטמפרטורה צנועה של 32 מעלות פרנהייט.

אם מוסיפים חומרים אחרים למים, כמו סוכר או מלח, הטמפרטורה יורדת מתחת ל -32 מעלות לפני שהקרח מתחיל להיווצר. נקודת הקפאה החדשה תלויה בחומר הנוסף ובכמה שאתה מתערבב עם מים, וזו הסיבה שערים מכניסות מלח על הכבישים בכמה מדינות בכדי להסיר קרח ושלג בחורף. כדוגמה נוספת, וודקה, תערובת של מים ואלכוהול, נשארת נוזלית לתקופה ממושכת כשהיא נשמרת במקפיא. האלכוהול בוודקה מוריד את נקודת הקפאה בצורה משמעותית.

מרבית החומרים מתכווצים, או מתכווצים, בנפח כשהם מתקררים. מים רק מתכווצים עד להורדתם ל 39 מעלות; בטמפרטורות קרות יותר, הוא מתחיל להתרחב. ככל שהמים מתקררים, המולקולות שלהן מאטות ומסדרות את עצמן כך שקיימים פערים בין קבוצות מולקולות. ככל שהם מתקררים, המולקולות יוצרות דפוסים משושים שהופכים בסופו של דבר לפתיתי שלג ולקריסטלים קשורים.

אם אתה ממלא בקבוק מלא במים, ואז אטום אותו במכסה לפני שאתה מכניס אותו למקפיא, המים מתרחבים ככל שמתקרר. בסופו של דבר, הקרח יפרץ את הבקבוק. זה נכון גם לגבי מיכלים העשויים מחומרים חזקים כמו ברזל; הלחץ שמפעילים מים מקפיאים הוא עד 40,000 psi במינוס 7.6 מעלות פרנהייט (מינוס 22 מעלות צלזיוס).