Physics
Anomalia di densità dell'acqua
Il ghiaccio galleggia perché il suo reticolo è aperto. Scaldate l'acqua e la rete si rompe: la densità sale fino a un massimo a 4 °C, poi cala.
Cosa succede
La struttura aperta qui non è un modello: è la cristallografia del ghiaccio Ih, e la densità che esce dalle costanti reticolari vale 920 kg/m³ contro i 917 misurati. Il liquido segue l'immagine a due strutture di Roentgen: le molecole stanno in quella rete aperta oppure in una disposizione collassata più densa, con equilibrio di Boltzmann fra le due. Riscaldare rompe legami e infittisce la miscela; riscaldare dilata però entrambe le strutture. L'incrocio dei due effetti cade a 4 °C: ne risulta, non ci viene messo.
Equazioni del modulo
Equazioni ρ(T) raggiunge il picco a 3.98 °C ghiaccio: reticolo aperto, ρ = 0.917 g/cm³ → galleggia Il riscaldamento rompe la rete di legami idrogeno: ρ aumenta, poi vince l'espansione termica acqua di mare (UNESCO 1983): ρ(T, S) a pressione 1 atm; T_max = 3.98 °C a S = 0, 1.86 a S = 10, −0.30 a S = 20, il massimo di densità scompare sopra S = 24.5 dove la sua temperatura raggiunge il punto di congelamento −0.0575 S + … Il lago: 40 strati, diffusività termica 1.4e-7 m²/s, scambio superficiale 25 W/m²K, miscelazione convettiva (nessuna acqua più leggera sotto acqua più pesante), ghiaccio Stefan dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) controllo numerico indipendente: 15 °C lago, aria −10 °C: l'intera colonna d'acqua si raffredda uniformemente a 4.9 °C entro il giorno 10; giorno 30: ghiaccio 47 cm, 0 °C sotto di essa, 4.0 °C da 2 m al fondo; acqua di mare a 35: −1.92 °C dall'alto verso il basso, nessuno strato inferiore alla temperatura di densità massima il cubo: ρ_ice/ρ_water = 91.7 % sotto l'acqua dolce a 4 °C, 89.2 % sotto l'acqua di mare; un litro di acqua dolce si congela in 1.091 litri
