Διδακτικά Βιβλία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου
1.6β Θερμική διαστολή των υγρών
Στα υγρά οι δυνάμεις συνοχής μεταξύ των μορίων είναι ασθενέστερες απ' ό,τι στα στερεά με αποτέλεσμα η κινητική ενέργεια της μοριακής κίνησης να είναι αρκετά μεγάλη, ώστε να εμποδίζει το «κλείδωμα» των μορίων σε σταθερές θέσεις που χρειάζεται για το σχηματισμό στερεού κρυστάλλου.
Έτσι εξηγείται γιατί τα υγρά είναι, γενικά, περισσότερο συμπιεστά από τα στερεά και συγχρόνως διαστέλλονται περισσότερο (Πίν. III).
Θα ισχύει η εξίσωση (4α), που είναι ανάλογη προς την (3α). ΔV = V0 β Δθ
Από την εξίσωση (4α) λύνοντας ως προς β, έχουμε: [pic]
Από τη σχέση (4β) προκύπτει ο ακόλουθος ορισμός του συντελεστή κυβικής διαστολής.
Ονομάζουμε συντελεστή κυβικής διαστολής, β, τη σχετική μεταβολή του όγκου, ΔV/V0 ανά μονάδα μεταβολής της θερμοκρασίας.
Η σχέση (4α) μπορεί να γραφεί και: V = V0 (1 + β Δθ) (4γ) όπου: V0 ο αρχικός όγκος V ο τελικός όγκος Δθ μια μικρή μεταβολή της θερμοκρασίας β ο συντελεστής κυβικής διαστολής
Εικ. 1.32 Γυάλινα υδραργυρικά θερμόμετρα
Τα περισσότερα υγρά διαστέλλονται ομαλά και σταθερά με την αύξηση της θερμοκρασίας, περίπου όπως είδαμε και στον υδράργυρο (Εικ. 1.33).
Το νερό όμως δείχνει μια ανώμαλη συμπεριφορά (Εικ. 1.34).
Στην περιοχή 0 °C έως 4,0 °C το νερό συστέλλεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Ο συντελεστής κυβικής διαστολής είναι αρνητικός. Στους 4,0 °C μια ορισμένη μάζα νερού έχει τον ελάχιστο όγκο της και τη μέγιστη πυκνότητα. (Ο συντελεστής κυβικής διαστολής είναι μηδέν).
Η υδρόβια ζωή στη γη είναι έντονα εξαρτημένη από την ανωμαλία αυτή στη συμπεριφορά του νερού. Το ότι το νερό έχει τη μεγαλύτερη πυκνότητα στους 4 °C έχει ως αποτέλεσμα στο βάθος, το χειμώνα, των λιμνών το νερό, να διατηρείται στους 4 °C και να παγώνει μόνο στην επιφάνεια.
Εικ. 1.33 Διαστολή του υδραργύρου σε μια περιοχή θερμοκρασιών.
Εικ. 1.34 (α) Η πυκνότητα του νερού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας, (β) Ο όγκος του νερού ως συνάρτηση της θερμοκρασίας.
Η ερμηνεία γι' αυτή τη μάλλον παράξενη συμπεριφορά του νερού βρίσκεται στην αλλαγή της μοριακής δομής του (Εικ. 1.35α), όταν αυτό παγώνει. Όταν το νερό παγώνει, τα μόρια του σχηματίζουν ανοικτές εξαγωνικές δομές (Εικ. 1.35β), που καταλαμβάνουν μεγαλύτερο χώρο απ' αυτόν που καταλαμβάνουν, όταν βρίσκονται στην υγρή φάση. Αυτό φαίνεται και από την εξαγωνική μορφή των νιφάδων του χιονιού (Εικ. 1.35γ).
Εικ. 1.35 (α) Τα μόρια του νερού στην υγρή κατάσταση συνδεδεμένα με δεσμούς υδρογόνου, (β) μετατρέπονται σε κανονικό εξάγωνο, όταν το νερό παγώνει. (γ) Νιφάδες χιονιού.