Jezero v zimě nepromrzá až na dno díky unikátním vlastnostem vody. Tento jev je důsledkem fyzikálních procesů souvisejících s anomálním chováním vody při nízkých teplotách.
Molekula vody (H2O) v pevném skupenství, tedy v ledu, tvoří uspořádanou krystalickou mřížku. Charakteristickým rysem této mřížky je větší vzdálenost mezi molekulami ve srovnání s jejich uspořádáním v kapalném stavu. Tato strukturní odlišnost má zásadní vliv na fyzikální vlastnosti ledu a vody.
Hustota vody se mění v závislosti na teplotě. Maximální hustoty dosahuje voda při teplotě přibližně 3,7 °C. Při nižších teplotách se hustota vody snižuje a voda se rozpíná. Tento jev je nezbytný pro pochopení procesu zamrzání vodních ploch.
- Led, který má nižší hustotu než kapalná voda, plave na povrchu. Tato vlastnost je kritická pro ochranu vodní hladiny pod ledem.
- Vznikající ledová krusta izoluje vodu pod ledem od chladného vzduchu a brání jejímu dalšímu zamrzání. Tato izolační vrstva snižuje tepelné ztráty do okolí.
- Teplota vody pod ledem zůstává nad 0 °C, což zabraňuje jejímu zmrznutí. Voda se ochlazuje pomaleji díky izolační vrstvě ledu.
Proč voda nezamrzá pod silnou vrstvou ledu? Zjednodušené vysvětlení
Termoregulace vodních ploch zamezuje zamrznutí vody pod silnou vrstvou ledu díky kombinaci několika faktorů:
- Hustota vody je přímo úměrná její teplotě. Teplá voda s vyšší hustotou klesá ke dnu. Studenější voda s nižší hustotou stoupá k povrchu, čímž se vytváří pod ledem teplotní gradient. Tento proces konvekce je klíčový pro regulaci teploty.
- Na povrchu ledu je teplota vody minimální a blíží se 0 °C. Při dalším ochlazování dochází ke krystalizaci vody a tvorbě ledu. Avšak když se krystalizující voda pohybuje dolů, setkává se s teplejšími a hustšími vrstvami, které zpomalují a brání jejímu dalšímu zamrzání. Teplotní gradient brání úplnému promrznutí.
- Konvekční proudy ve vodní ploše zajišťují neustálý pohyb vody, což také brání tvorbě ledu pod již existující vrstvou. Teplá voda z hlubin stoupá k povrchu a studená voda klesá, čímž se vyrovnává teplota a zpomalují procesy zamrzání. Tato cirkulace vody je důležitá pro udržení teploty.
Která voda zamrzne rychleji?
Na rozdíl od intuitivního očekávání zamrzá horká voda rychleji než studená. Důvodem je:
- Horká voda má vyšší tepelnou kapacitu, proto vyžaduje delší dobu k ochlazení. Avšak její rychlejší ochlazení má za následek rychlejší tvorbu ledových krystalů.
- Při ochlazování horké vody se tvoří kapičky vodní páry, které slouží jako centra krystalizace a urychlují proces tvorby ledu. Tato kapičky fungují jako zárodečná místa pro tvorbu ledových krystalů.
Proč voda nezamrzá pod silnou vrstvou ledu a proč je tvrzení „kožich hřeje“ nepřesné?
Led působí jako bariéra: Když je vodní povrch pokryt ledem, vytváří se izolační vrstva, která brání dalšímu zamrzání hlubších vrstev.
Nepřesnost tvrzení o kožichu: Kožich není zdrojem tepla, ale pouze udržuje teplo produkované tělem. Kožich neprodukuje teplo, ale pouze izoluje.
Která voda zamrzne lépe?
Ze dvou nádob s teplou a studenou vodou v mrazáku zamrzne rychleji voda horká. Dokladem tohoto jevu je například i skutečnost, že při silném mrazu zamrzají otevřené trubky s horkou vodou rychleji než trubky s vodou studenou.
