الأسبوع 3 · الموضوع ١-٣ «الخواص الفيزيائية للماء» (١): الكثافة والكثافة النسبية والهيدرومتر وكثافة ماء المحيطات والتيارات البحرية وكثافة الماء العظمى عند 4°C وتجمد البحيرات · 3 دروس
3
النقطة 4°C: لماذا تتجمد البحيرات من السطح
Integrated Science Sec 1 Term 1, Unit 1: pp. 16–19
الهدفأفسّر لماذا تكون كثافة الماء العذب أكبر ما يمكن عند ٤ °C ولماذا تتجمد البحيرة من السطح بينما تستمر الحياة تحتها.
كلمات جديدة
أقصى كثافة · أكبر كثافة للماء، وتكون عند ٤ °C حيث تبلغ ١٠٠٠ kg/m³ينكمش · يشغل حجمًا أقليعزل · يبطئ فقد الحرارة
الشرح
تنكمش معظم السوائل باستمرار كلما برد. والماء استثناء. فعندما يبرد الماء النقي من درجات أعلى فإنه ينكمش ويزداد كثافة حتى ٤ °C، حيث تكون كثافته أكبر ما يمكن ١٠٠٠ kg/m³. ومن ٤ °C إلى ٠ °C يتمدد قليلًا فتقل كثافته من جديد، وفوق ٤ °C يتمدد كلما سخن. وفي الخريف يبرد ماء سطح البحيرة ويغوص حين يبلغ ٤ °C. وبعد ذلك يستمر السطح في البرودة دون ٤ °C فتقل كثافته ويبقى في الأعلى، فيتجمد السطح أولًا. والجليد أقل كثافة من الماء السائل، نحو ٩١٧ kg/m³، لأن جزيئاته أبعد بعضها عن بعض في ترتيب مفتوح. لذلك يطفو الجليد. وتعزل طبقة الجليد الطافية الماء تحتها، فتبقى الأسماك وغيرها من الكائنات الحية حية تحت الجليد. وتخص هذه القاعدة الماء العذب: فالملح يخفض درجة التجمد ودرجة أقصى كثافة.
أمثلة محلولة
اقرأ كثافة الماء العذب (قيم حقيقية): عند ٠ °C: ٩٩٩٫٨، وعند ٤ °C: ١٠٠٠٫٠، وعند ٨ °C: ٩٩٩٫٩، وعند ١٠ °C: ٩٩٩٫٧، وعند ٢٠ °C: ٩٩٨٫٢ kg/m³. الفروق ضئيلة، لكن النمط هو المهم: أكبر قيمة عند ٤ °C. ويبيّن الرسم مقدار نقص كل قيمة عن ١٠٠٠٫٠، فأخفض نقطة في الخط هي الماء الأكثف. والدرجات غير متساوية البعد.
كم من كتلة الجليد الطافية تحت الماء؟ النسبة ٩١٧ ÷ ١٠٠٠ = ٠٫٩١٧، أي نحو ٩١٫٧%، أي قرابة ٩٢%. ولا يبرز منه إلا نحو ٨%. كذلك فإن ١٠٠٠ kg من الماء تصبح جليدًا حجمه ١٠٠٠ ÷ ٩١٧ ≈ ١٫٠٩ m³ بدلًا من ١ m³، أي بزيادة نحو ٩% في الحجم.
هواء أبرد من ٠ °C→جليد في الأعلى ٠ °C→ماء نحو ٤ °C في الأسفل→تستمر الحياة
في بركة ماء درجته نحو ٤ °C قرب القاع وجليد ٠ °C في الأعلى. هل الماء في القاع أدفأ من الماء تحت الجليد مباشرة؟ نعم، ولهذا يبقى قاع البركة سائلًا: فالماء الأكثف يستقر في الأسفل ويعزله الجليد.
نشاط الفصل
اختبار مكعب الثلج، بمساعدة أحد الكبار. ضع مكعب ثلج ليطفو في كوب شفاف فيه ماء صنبور. ارسم الكوب وعلّم مستوى الماء، وارسم الجزء الظاهر من المكعب فوق الماء. قدّر النسبة التي تحت الماء. ثم قل في سلسلة سبب ونتيجة لماذا يطفو الجليد ولماذا يهم ذلك للبحيرة في الشتاء.
تدرّب
1
عند أي درجة حرارة يكون الماء العذب أكثف، وما كثافته؟
عند ٤ °C؛ ١٠٠٠ kg/m³.
2
لماذا يتجمد سطح البحيرة أولًا؟
الماء السطحي الذي يبرد دون ٤ °C تقل كثافته فيبقى في الأعلى ويتجمد.
3
لماذا يطفو الجليد؟
جزيئاته أبعد بعضها عن بعض في ترتيب مفتوح، فكثافته (نحو ٩١٧ kg/m³) أقل من كثافة الماء.
