Physics
Anomalía de densidad del agua
El hielo flota porque su red es abierta. Caliente el agua y la red se rompe: la densidad sube hasta un máximo a 4 °C y luego baja.
Qué ocurre
La estructura abierta no es un modelo: es la cristalografía del hielo Ih, y la densidad que sale de las constantes de red es 920 kg/m³ frente a los 917 medidos. El líquido sigue la imagen de dos estructuras de Roentgen: las moléculas están en esa red abierta o en una disposición colapsada más densa, con equilibrio de Boltzmann entre ambas. Calentar rompe enlaces y densifica la mezcla; calentar también dilata las dos estructuras. Donde se cruzan ambos efectos están los 4 °C, y eso resulta, no se impone.
Ecuaciones del módulo
Ecuaciones ρ(T) alcanza su punto máximo en 3.98 °C hielo: celosía abierta, flotadores ρ = 0.917 g/cm³ → El calentamiento rompe la red de enlaces de hidrógeno: ρ sube, luego gana la expansión térmica agua de mar (UNESCO 1983): ρ(T, S) a presión 1 atm; T_max = 3.98 °C a S = 0, 1.86 a S = 10, −0.30 a S = 20, la densidad máxima desaparece por encima de S = 24.5 donde su temperatura alcanza el punto de congelación −0.0575 S + … El lago: 40 capas, difusividad térmica 1.4e-7 m²/s, intercambio superficial 25 W/m²K, mezcla convectiva (no agua más ligera bajo agua más pesada), hielo Stefan dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) Verificación numérica independiente: 15 °C lago, aire −10 °C: toda la columna de agua se enfría uniformemente a 4.9 °C en el día 10; día 30: hielo 47 cm, 0 °C debajo de ella, 4.0 °C de 2 m al fondo; agua de mar en 35: −1.92 °C de arriba a abajo, sin capa inferior a la temperatura de densidad máxima el cubo: ρ_ice/ρ_water = 91.7 % bajo agua dulce en 4 °C, 89.2 % bajo agua de mar; un litro de agua dulce se congela en litros 1.091
