Physics
Аномалія густини води
Лід плаває, бо його ґратка відкрита. Нагрійте воду - сітка ламається: густина зростає до максимуму при 4 °C і знову падає.
Що відбувається
Відкрита структура тут - не модель, а кристалографія льоду Ih, і густина, що випливає зі сталих ґратки, дорівнює 920 кг/м³ проти виміряних 917. Рідину описує двоструктурна картина Рентгена: молекули сидять або в цій відкритій сітці, або в схлопнутому, щільнішому укладанні, з больцманівською рівновагою між ними. Нагрів рве зв'язки і робить суміш щільнішою; нагрів же розширює обидві структури. Перетин цих двох ефектів і є 4 °C - воно виходить, а не вписується.
Рівняння модуля
Рівняння ρ(T) досягає піку на 3.98 °C лід: відкрита решітка, поплавці ρ = 0.917 g/cm³ → нагрівання руйнує мережу водневих зв’ язків: ρ зростає, потім перемагає теплове розширення морська вода (UNESCO 1983): ρ(T, S) при тиску 1 atm; T_max = 3.98 °C при S = 0, 1.86 при S = 10, −0.30 при S = 20, максимальна густина зникає вище S = 24.5, де її температура досягає точки замерзання −0.0575 S + … озеро: 40 шарів, теплова дифузія 1.4e-7 m²/s, поверхневий обмін 25 W/m²K, конвективне змішування (не легша вода під важчою), лід Стефана dh/dt = k(T_f − T_air)/(ρ_i L h) незалежна числова перевірка: 15 °C озеро, повітря −10 °C: весь стовпчик води охолоджується рівномірно до 4.9 °C протягом дня 10; день 30: лід 47 cm, 0 °C під ним, 4.0 °C від 2 m до низу; морська вода 35: −1.92 °C зверху вниз, немає нижнього шару при температурі максимальної щільності куб: ρ_ice/ρ_water = 91.7 % під прісною водою на 4 °C, 89.2 % під морською водою; літр прісної води замерзає в літрах 1.091
