Physics
Anomalia gęstości wody
Lód pływa, bo jego sieć jest otwarta. Ogrzej wodę, a sieć pęka: gęstość rośnie do maksimum przy 4 °C i znów spada.
Co się dzieje
Struktura otwarta nie jest tu modelem - to krystalografia lodu Ih, a gęstość wynikająca ze stałych sieci to 920 kg/m³ wobec zmierzonych 917. Ciecz opisuje dwustrukturowy obraz Roentgena: cząsteczki siedzą albo w tej otwartej sieci, albo w zapadniętym, gęstszym układzie, z równowagą Boltzmanna między nimi. Ogrzewanie zrywa wiązania i zagęszcza mieszaninę; ogrzewanie rozszerza jednak obie struktury. Przecięcie tych efektów wypada przy 4 °C - wynika, a nie zostaje wstawione.
Równania modułu
Równania ρ(T) osiąga szczyt w 3.98 °C lód: otwarta krata, pływaki ρ = 0.917 g/cm³ → Ogrzewanie łamie sieć wiązań wodorowych: ρ wzrasta, wtedy rozszerzalność cieplna wygrywa woda morska (UNESCO 1983): ρ(T, S) przy ciśnieniu 1 atm; T_max = 3.98 °C przy S = 0, 1.86 przy S = 10, −0.30 przy S = 20, maksymalna gęstość znika powyżej S = 24.5, gdzie temperatura osiąga temperaturę zamarzania −0.0575 S + … Jezioro: 40 warstwy, dyfuzja cieplna 1.4e-7 m²/s, wymiana powierzchniowa 25 W/m²K, mieszanie konwekcyjne (żadna lżejsza woda pod cięższą), lód Stefana dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) niezależna weryfikacja numeryczna: 15 °C jezioro, powietrze −10 °C: cały słup wody chłodzi się równomiernie do 4.9 °C do dnia 10; dzień 30: lód 47 cm, 0 °C pod nim, 4.0 °C od 2 m do dna; woda morska w 35: −1.92 °C od góry do dołu, brak warstwy dna w temperaturze maksymalnej gęstości kostka: ρ_ice/ρ_water = 91.7 % pod wodą słodką i 4 °C, 89.2 % pod wodą morską; litr świeżej wody zamarza w litrach 1.091
