האנומליה של המיםבפיזיקה, האנומליה של המים היא תופעה מיוחדת המאפיינת את המים: נפחם במצב מוצק (קרח) גדול יותר מאשר במצב צבירה נוזלי (ולהפך עם צפיפותם). תופעה זו מנוגדת לתכונת רוב החומרים המתכווצים במעבר למצב מוצק. בדרך כלל, חומר נוטה להתכווץ עם ירידת הטמפרטורה שלו ולהתפשט עם עלייתה. לכן נפחם של רוב החומרים יורד עם ירידת הטמפרטורה, וצפיפותם עולה. לכל חומר במצב נוזלי ישנה הטמפרטורה האופיינית לו, שבה הוא קופא (הופך מנוזל למוצק). גם לאחר הפיכתו למוצק ימשיך נפחו לרדת ככל שהטמפרטורה שלו תוסיף ותרד. זאת משום שהטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הפנימית של חלקיקי החומר, כלומר למידת התנועה והתנודה שלהם. ירידת הטמפרטורה משמעה הקטנת כמות הדחיפות וההתנגשויות הפנימיות בין חלקיקי החומר. במצב מוצק, חלקיקי החומר איטיים עד כדי כך שהם כמעט ואינם משנים את מיקומם היחסי ומסודרים זה לצד זה במבנה מוגדר מסוים וצפוף. המיוחד במים הוא שהורדת הטמפרטורה שלהם אכן גורמת לירידת נפחם, אך זאת רק עד לגבול של כ-4 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה זו נפחם של המים כנוזל הוא הקטן ביותר. אך כאשר ממשיכים לקרר אותם מתחת ל-4 מעלות צלזיוס, לפתע מתחיל נפחם לחזור ולגדול (תופעה המתרחשת עקב שינוי מרחבי של מולקולות המים), עד לקפיאתם והתמצקותם לקרח, בטמפרטורה של אפס מעלות צלזיוס. אך זהו רק חלק אחד של האנומליה. בנקודת הקפיאה מגיע לידי ביטוי חלקה השני: נפחו של הקרח בנקודת הקיפאון גדול בכ-%10 אחוזים מנפח המים שמהם הוא נוצר. שלא כבחומרים אחרים, הנפח ממשיך לעלות עם ירידת הטמפרטורות מעבר לנקודת הקיפאון.
הסבר התופעהמולקולות המים הן בעלות מבנה זוויתי ובעלות קוטביות חשמלית משמעותית. בטמפרטורות של מעל 4 מעלות התנודתיות שלהן אנרגטית דיה כדי לגבור על הקוטביות, והמים מתנהגים כמו כל נוזל אחר שנפחו קטן ככל שעוצמת ההתנגשויות ההדדיות בין חלקיקיו קטנה. אולם בהגיעם לטמפרטורה של כ-3.98 מעלות, חל מפנה. בנקודה זו הקוטביות של מולקולות המים משמעותית דיה כדי לאלץ את המולקולות להתייצב על פי תכתיבי השדות החשמליים הפועלים ביניהם, ולא רק באופן אקראי המוכתב מתנודותיהן העצמיות ומההתנגשויות ההדדיות ביניהן. ככל שיורדת הטמפרטורה, האילוץ של השדות החשמליים הולך והופך משמעותי יותר מהתנודות ומההתנגשויות, דבר המכתיב מערך נפחי יותר המוכתב גם מצורתן הזוויתית של המולקולות. בנקודת הקיפאון, אנרגיית המולקולות כה נמוכה עד שהן כבר אינן יכולות להשתחרר מתכתיבי השדה החשמלי הפועל ביניהן ולנוע במרחב. בשלב קריטי זה נוצר בבת אחת מבנה מרחבי אופייני בעל נפח הגדול בכ-10 אחוזים מנפח המים מהם נוצר, והתנועה היחידה המתאפשרת למולקולות היא תנודתן העצמית, כלומר הרטט של האטומים (חמצן ומימן) שמהם הן עשויות. זו הסיבה שלא כדאי להקפיא מים בבקבוק זכוכית. בנקודת הקיפאון עולה נפח המים באופן קיצוני הגורם לבקיעת דפנות הזכוכית המגבילות. הצד החיובי של תופעה זו הוא בכך שקפיאתם של מים בסדקי סלעים מבקעת ומפוררת אותם ומביאה ברבות השנים ליצירת שכבות קרקע חדשות. המשך קירור המים מגדיל את נפח הקרח בכך שהוא ממשיך להקטין את תנודות האטומים ומייצב את המבנה המרחבי הנפחי. השפעות תופעת האנומליה של המים על עולם החימשום שצפיפות הקרח קטנה מצפיפות המים הנוזלים, הקרח צף מעל פני המים.
תאים חיים זקוקים למים נוזלים כדי להתקיים. כאשר תא חי (צמחי או אנימלי) מתקרב לנקודת הקיפאון, המים שבתוכו מתחילים להתמצק ולהתגבש. משום שנפח המים גדל והם מתגבשים, המים קורעים את קרום התא והורסים את האברונים השונים שבו. כדי להתמודד עם בעיה זו, ישנם אורגניזמים חד-תאיים השולחים נבגים שיתפתחו ברגע שיופשרו. אורגניזמים רב-תאיים משתמשים בשתי שיטות עיקריות;
קישורים חיצוניים
|