Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody i jej znaczenie w przyrodzie

Plan:
1. Wstęp
2. Stany skupienia wody i ich właściwości
3. Znaczenie wody w przyrodzie
4. Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody
5. Zasoby wodne
6. Ochrona zasobów wodnych
7. Erozja
8. Zmiany stanu skupienia wody
9. Podsumowanie

Woda jest najważniejszą substancją życiową (bez wody nie ma życia) i budulcową (człowiek w ok. 70% składa się z wody). Jedną cząsteczkę tej wspaniałej substancji tworzą dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu (wzór chemiczny wody to H2O).

Stany skupienia wody i ich właściwości

Woda występuje w trzech stanach skupienia:
a. stan stały
Cząsteczki w ciele stałym bardzo silnie oddziaływują ze sobą. Dzięki temu ciało stałe zachowuje swój kształt i objętość. Wynika to również z silnych oddziaływań międzycząsteczkowych. Ciało takie jest nieściśliwe, tzn. nie można zmienić jego objętości bez zmniejszenia ilości. Woda w stanie stałym to lód.
b. ciecz
Jest to najczęściej spotykany stan skupienia wody. Oddziaływania międzycząsteczkowe są słabsze, niż w ciałach stałych, ale nie tak słabe, jak w stanie lotnym. Dzięki temu cząsteczki uzyskują swobodę poruszania się, więc ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje. Ciecze tworzą powierzchnię swobodną. Jest to powierzchnia, która nie dotyka ścianek naczynia, w którym znajduje się ciecz.
Wyjątek następuje wtedy, gdy naczynie jest zamknięte i pełne cieczy. Wtedy nie mamy powierzchni swobodnej. Mogą również wystąpić dwie powierzchnie swobodne.
Sytuacja taka ma miejsce w przypadku bańki mydlanej. Występuje wtedy powierzchnia swobodna zewnętrzna (na zewnątrz bańki) i wewnętrzna (wewnątrz bańki). Ciecze podobnie jak ciała stałe są nieściśliwe. Wodą w stanie ciekłym jest mgła i zwykła woda, którą pijemy na co dzień.
c. gaz (stan lotny)
Gazy zajmują całą dostępną objętość. Dzieje się tak dlatego, że oddziaływania międzycząsteczkowe prawie nie występują. Dzięki temu cząsteczki mają praktycznie nieograniczoną swobodę ruchu. Przez to, że cząsteczki zajmują całą dostępną objętość, nie mamy powierzchni swobodnej. W przeciwieństwie do ciał stałych i cieczy gazy są ściśliwe. Jest to spowodowane dużymi odległościami między cząsteczkami. Wodę jako gaz reprezentuje para wodna.

Znaczenie wody w przyrodzie

Woda jest niezbędna do istnienia wszystkiego, co nas otacza. Gdyby nie ona, nie byłoby roślin, rzek, jezior, budynków (cement potrzebny do budowy mieszamy z wodą), a końcu nas samych. Wodę możemy również wykorzystać do usprawnienia naszego życia poprzez na przykład elektrownie wodne lub transport drzewa. Sprawia nam również wiele radości, np. w czasie kąpieli w morzu lub podczas jazdy na łyżwach. Niestety, wszystko ma swoje zalety i wady. Woda jest konieczna do życia, ale może też to życie zabierać poprzez powodzie, czy ataki fal tsunami. Znaczenie wody w przyrodzie jest olbrzymie. Dzięki niej rosną drzewa, które produkują tlen niezbędny do naszej egzystencji. Woda jest środkiem stosowanym w gaszeniu pożarów, a także domem dla tysięcy stworzeń, np. ryb, mięczaków
i wielu ssaków.

Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody

Wszystkie substancje wraz ze wzrostem temperatury zwiększają swą objętość, a wraz ze spadkiem temperatury zmniejszają ją. Z wodą jest nieco inaczej. Zmniejsza swą objętość wraz ze spadkiem temperatury, ale tylko do 40C (rys. 1). Poniżej tej temperatury woda z powrotem zwiększa swoją objętość. Możemy to zauważyć, jeśli butelkę z wodą wystawimy na noc podczas mrozu. Kiedy rano zabierzemy butelkę, zobaczymy, że powiększyła się.

Zasoby wodne

Ponad 97% światowych zasobów wody zgromadzone jest w oceanach, 2% uwięzione jest w czaszach lodowcowych i lodowcach. Wody podziemne to zaledwie 0,6%, rzeki i jeziora 0,2%, a para wodna zawarta w atmosferze, z części której powstają opady, stanowi tylko 0,001%. Koryta rzek i jeziora powstały właśnie wskutek anomalnej rozszerzalności temperaturowej wody. Woda, która znajdowała się w danym miejscu, zamarzła wskutek niskiej temperatury zwiększając swą objętość i tworząc koryta.

Erozja

Jest to zespół procesów powodujących żłobienie i rozcinanie powierzchni skorupy ziemskiej przez wody, lodowce i wiatr, połączone z usuwaniem powstających produktów niszczenia. Procesy erozji są przyspieszane przez uderzanie i tarcie o podłoże przemieszczanego materiału skalnego. To zjawisko nazywamy abrazją.

Erozja deszczowa (ablacja deszczowa, spłukiwanie) jest najprostszą formą erozji wywołanej przez wodę płynącą. W wyniku jej działania luźne osady są zmywane ze stoków.

Erozja rzeczna ma największe znaczenie w kształtowaniu powierzchni Ziemi. Prowadzi ona do powstawania dolin rzecznych. Przebiega tym szybciej, im większa jest prędkość przepływu rzeki wywołana jej spadkiem, masa płynącej wody, a także masa transportowanego przez nią materiału oraz im mniejsza jest odporność skał, w których powstaje koryto rzeczne.

Zmiany stanu skupienia wody

Cztery najpowszechniejsze zmiany stanu skupienia wody to:
a. zamarzanie (krzepnięcie)
Przechodzenie ze stanu ciekłego w stały.
b. topnienie
Przechodzenie ze stanu stałego w ciekły.
c. parowanie
Przechodzenie ze stanu ciekłego w gazowy (lotny)
d. skraplanie
Przechodzenie ze stanu gazowego (lotnego) w ciekły.

Istnieją jeszcze dwa rodzaje zmiany stanu skupienia. Są to sublimacja i resublimacja. Sublimacja polega na przechodzeniu ze stanu stałego w gazowy (z pominięciem stanu ciekłego). Resublimacja to przeciwieństwo sublimacji, czyli przechodzenie ze stanu gazowego w stały (z pominięciem stanu ciekłego).

Podsumowanie

Z powyższych rozważań wynika, że woda jest niesamowicie ciekawą substancją o dziwnych właściwościach. Jest niezbędna do istnienia życia i rozwoju nas i wszystkiego, co nas otacza.