Парадокс воды

Одно из немногих исключений прямой зависимости температуры и объема - вода. При охлаждении теплой воды ее объем уменьшается. Это уменьшение продолжается, пока температура не понизится приблизительно до 4 °С. При такой температуре вода достигает максимальной плотности и, следовательно, наименьшего объема. При дальнейшем охлаждении воды ниже 4 °С она начинает расширяться. Данное расширение продолжается, пока температура не понизится до тройной точки (О °С). При температуре тройной точки жидкая вода начинает изменять состояние на твердое и продолжает расширяться. По завершении изменения состояния 0,0283 м3 воды преобразуется в 0,0307 м3 льда. Такое увеличение объема производит огромную силу, которая может взорвать трубы и другие контейнеры и разрушить суда, пирс и другие объекты, которые находятся в воде.

Хотя кажется, что расширение воды противоречит отношениям температуры и объема, как описано выше, это не так. Среднее расстояние между охлаждающимися молекулами продолжает уменьшаться при снижении температуры, так как кинетическая энергия уменьшается, как и ожидалось. Но происходит физическое, а не тепловое расширение, так как молекулы воды образуют кристаллическую структуру. Когда атомы водорода и кислорода образуют связи, они разделяются на пары, причем одна сторона молекулы воды получает немного более высокий положительный заряд, чем другая. В результате молекулы действуют как треугольные магниты, у которых одна сторона электростатически отрицательная, а другая - положительная.

В жидком состоянии эти электростатические полюса притягивают заряженную сторону смежных молекул и жидкость немного сжимается. Когда жидкость начинает изменять состояние на твердое, молекулы перестраиваются, образуя кристаллическую структуру с более низкой энтропией. Твердая структура нарушает электростатическое притяжение между молекулами, так как связывает их. Расстояние между молекулами в кристаллической структуре немного больше, чем в жидком состоянии, объем воды увеличивается при изменении состояния на твердое. Если бы не эта структура, объем воды был бы больше, чем объем равной массы льда, как у других веществ.