Die überraschend merkwürdige Physik des Wassers


Intro

"Nichts ist weicher und schwächer als Wasser, und doch gibt es nichts besseres für den Angriff auf harte und starke Dinge."

Die chinesische Weisen Laotse sagte dieses Paradoxon in seinem alten Text, das "Tao Te Ching". In der Tat des Wassers Fähigkeit zu waschen, zu beruhigen und Kontrast mit roher Kraft, zu nähren, wie von Niagara Falls, der Grand Canyon (geschnitzt im Laufe der Zeit durch den Colorado River) und Tsunamis ausgestellt.

Ebenso ist paradox, Wasser bestens vertraut, aus denen fast zwei Drittel unseres eigenen Körpers und drei Viertel des Planeten abdeckt und sehr geheimnisvoll. Wenn Sie es so gut kennen, überrascht viele seiner Eigenschaften völlig. Andere sind so seltsam, dass sie noch wissenschaftliches Verständnis entziehen.

Wettlauf nach unten

Eine logische Person könnte davon ausgehen, dass es für die Warmwasserbereitung zu stürzen die Temperaturskala auf 32 Grad Fahrenheit (0 Grad Celsius) und Einfrieren als kaltes Wasser würde länger dauern würde. Aber seltsamerweise ist dies nicht immer der Fall. Wie eine tansanische High-School-Schüler Erasto Mpemba, 1963, zuerst beobachtet wurde heißes Wasser eigentlich friert schneller als kaltes Wasser wenn die zwei Körper des Wassers, das gleiche ausgesetzt sind subzero Umgebung.

Und niemand weiß warum.

Eine Möglichkeit ist, dass die Mpemba-Effekt daraus eine Wärmezirkulation genannte Konvektion verarbeiten. In ein Gefäß mit Wasser steigt warmes Wasser nach oben, kältere Wasser darunter schieben und die Schaffung von "hot-Top." Wissenschaftler vermuten, daß Konvektion des Kühlprozesses irgendwie beschleunigen könnte so dass wärmeres Wasser zu frieren schneller als kühleres Wasser, trotz wieviel mehr Quecksilber hat es den Gefrierpunkt zu decken.

Rutschigen Stoff

Ein Jahrhundert und eine Hälfte der wissenschaftlichen Untersuchung ist noch nicht festzustellen, warum Eis nach unten fallen lassen. Wissenschaftler sind sich einig, dass eine dünne Schicht flüssigen Wassers auf festem Eis bewirkt, dass seine Glätte und einer Flüssigkeit Mobilität macht es schwierig, weitergehen, auch wenn die Schicht dünn ist. Aber es gibt keinen Konsens darüber, warum Eis, im Gegensatz zu den meisten anderen Feststoffen hat solch eine Schicht.

Theoretiker haben spekuliert, dass es möglicherweise den Akt der Rutschen oder Skaten die Kontaktaufnahme mit dem Eis, das das Eis schmilzt. Andere denken, die flüssige Schicht gibt es vor der Pantoffel oder Skater jemals angekommen, und irgendwie durch die inhärente Bewegung der Oberflächenmoleküle erzeugt wird.

Wir wissen, dass Sie suchen jemanden oder etwas zu tadeln, wie Sie es auf den Boden rauchende liegen, aber die Jury leider noch nicht auf diesen einen ist.

Verrückt in der Membran

Manchmal scheint Wasser trotzen die Gesetzen der Physik, zusammenhalten, trotz der Versuche der Schwerkraft oder sogar der Druck von schweren Gegenständen auseinander zu brechen.

Dies ist die Kraft der Oberflächenspannung, eine Eigenschaft, die die äußere Schicht der ein Körper des Wassers (und einige andere Flüssigkeiten) wirken wie eine flexible Membran macht. Oberflächenspannung entsteht, weil Wasser Moleküle Bindung locker mit einander. Wegen der schwachen Bindungen zwischen ihnen erleben Sie die Moleküle an der Oberfläche eine nach innen ziehen aus den Molekülen unter ihnen. Das Wasser wird zusammen bleiben, bis die Kräfte Auseinanderziehen der Stärke dieser schwachen Anleihen überholen und brechen die Oberfläche.

Auf dem Bild oben z. B. beruht eine Büroklammer auf die oberste Schicht eines Körpers des Wassers. Obwohl das Metall Dichter als Wasser ist und es daher zu sinken sollte, ist Oberflächenspannung verhindert, dass den Clip der Oberfläche des Wassers zu brechen.

Leeren Raum

Obwohl die feste Form von nahezu jede Substanz Dichter als seiner flüssigen Form ist die Atome im Festkörper normalerweise eng zusammen packen, hält das wahre für H2O nicht. Wenn Wasser gefriert, erhöht sich sein Volumen um rund 8 Prozent. Das ist das seltsame Verhalten, das Eiswürfel und sogar gigantische Eisberge schwimmen ermöglicht.

Wenn Wasser auf den Gefrierpunkt abkühlt, gibt es weniger Energie verursacht seine Moleküle zu schwappen herum, so dass die Moleküle in der Lage sind zu bilden stabilere Wasserstoffbrückenbindungen mit ihren Nachbarn, und allmählich in Position sperren; Dies ist der gleiche grundlegende Prozess, die bewirkt, dass alle Flüssigkeiten zu festigen. Und genau wie in anderen Feststoffen, die Bindungen zwischen Molekülen im Eis sind tatsächlich kürzer und enger als die lose Bindungen in flüssigem Wasser; der Unterschied ist, dass die hexagonale Struktur von Eiskristallen einiges leerer Raum, lässt das Eis insgesamt geringere Dichte als Wasser macht.

Der Volumen-Überschuss kann manchmal in Form von "Eis-Spikes" auf Eiswürfel in den Gefrierschrank gesehen werden. Diese Spitzen bestehen aus das überschüssige Wasser, die aus einem Cube durch das Einfrieren (und wachsenden) Eis um ihn herum herausgedrückt wird. In einem Container tendenziell Wasser Einfrieren von den Seiten und unten in Richtung der Mitte und oben, so dass das Eis in Richtung der Mitte erweitert. Manchmal bekommt eine Tasche von Wasser in der Mitte mit nirgendwo zu laufen und spritzt aus einem Loch in der Oberseite des Würfels, in Form von einem Spritzer Einfrieren gefangen.

Ein Unikat

Wie das Sprichwort sagt geht, "keine zwei Schneeflocken sind gleich." In der gesamten Geschichte der Schnee wurde in der Tat jeder einzelne dieser schönen Strukturen völlig einzigartig. Hier ist der Grund: eine Schneeflocke beginnt als einfache hexagonalen Prisma. Wie jedes Einfrieren Flocke fällt, stößt es ein einzigartiges Spektrum an Form verändernden Bedingungen, einschließlich der unterschiedlichen Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck. Das ist genug Variablen, die die Kristallbildung nie zweimal in der gleichen Weise passiert.

Das heißt, die kühle Sache über Schneeflocken ist, dass die sechs Arme wachsen in perfekter Synchronität, sechseckige Symmetrie zu erstellen, da jeder Arm die gleichen Bedingungen wie alle anderen Erfahrungen.

Woher kommen Sie?

Die genaue Herkunft des Planeten Wasser, die etwa 70 Prozent der Erdoberfläche abdeckt, ist immer noch ein Rätsel für die Wissenschaftler. Sie vermuten, dass Wasser, das auf der Oberfläche des Planeten zusammengebacken, wie es vor 4,5 Milliarden Jahren gebildet aus durch die enorme Hitze der jungen, prallen Sonne verdampft sein würde. Das bedeutet, dass das Wasser haben wir jetzt hier später bekommen haben muss.

Wie? Nun, hit während eines Zeitraums vor etwa 4 Milliarden Jahren genannt, die spät schwere Bombardierung, massive Objekte, wahrscheinlich aus dem äußeren Sonnensystem, Erde und die inneren Planeten. Es ist möglich, dass diese Objekte mit Wasser gefüllt waren, und dass diese Kollisionen gigantische Stauseen des Wassers auf der Erde übergeben konnte.

Kometen Â?? Brocken aus Eis und Fels mit Schwänzen von Eis zu verdampfen, aus denen lange, looping-Bahnen um die Sonne sind wahrscheinlich Schuldigen für was uns mit dieser Flüssigkeit gelandet. Es gibt ein Problem, aber: Fernmessungen des Wassers verdunsten aus mehreren großen Kometen (Halley, Hyakutake und Hale-Bopp) haben gezeigt, dass ihre Wassereis aus einer anderen Art von H20 besteht (mit einem schwereren Isotop des Wasserstoffs) als Erde ist, was darauf hindeutet, dass solche Kometen möglicherweise nicht die Quelle unserer wunderbaren Wasser.

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