Physics
Аномалия плотности воды
Лёд плавает, потому что его решётка открытая. Нагрейте воду - сетка ломается: плотность растёт до максимума при 4 °C и снова падает.
Что происходит
Открытая структура здесь - не модель, а кристаллография льда Ih, и плотность, выходящая из постоянных решётки, равна 920 кг/м³ против измеренных 917. Жидкость описана двухструктурной картиной Рёнтгена: молекулы сидят либо в этой открытой сетке, либо в схлопнутой, более плотной укладке, с больцмановским равновесием между ними. Нагрев рвёт связи и делает смесь плотнее; нагрев же расширяет обе структуры. Пересечение этих двух эффектов и есть 4 °C - оно получается, а не вписывается.
Уравнения модуля
Уравнения Плотность ρ(T) максимальна при 3.98 °C лед: открытая решетка, ρ = 0.917 g/cm³ → плавает Нагрев разрушает сеть водородных связей: сначала ρ растёт, затем преобладает тепловое расширение Морская вода (UNESCO 1983): ρ(T, S) при 1 atm; T_max = 3.98 °C при S = 0, 1.86 при S = 10, −0.30 при S = 20; выше порога S = 24.5 максимум исчезает, достигая температуры замерзания −0.0575 S + … Озеро: 40 слоёв, температуропроводность 1.4e-7 m²/s, теплообмен на поверхности 25 W/m²K; конвективное перемешивание не допускает лёгкую воду под тяжёлой; рост льда по Стефану: dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) Контрольный расчёт: озеро 15 °C, воздух −10 °C; весь столб воды охлаждается до 4.9 °C к 10-му дню. На 30-й день: лёд 47 cm, под ним 0 °C, от глубины 2 m до дна 4.0 °C. При солёности 35: −1.92 °C по всей глубине, без придонного слоя при температуре максимальной плотности Кубик льда: ρ_ice/ρ_water = 91.7 % объёма погружено в пресную воду при 4 °C, 89.2 % — в морскую; литр пресной воды превращается в 1.091 литра льда
