Πυκνότητα νερού

Η μία πυκνότητα του νερού δεν είναι τυχαία. Η μετρική μονάδα μάζας είναι το νερό, επομένως ένα κυβικό εκατοστό (1 cm3) νερού ζυγίζει ένα γραμμάριο (1 g).

Η πυκνότητα του νερού ανακαλείται εύκολα ως 1g/1cm3. Ωστόσο, η πραγματική πυκνότητα του νερού επηρεάζεται τόσο από την ατμοσφαιρική πίεση όσο και από τη θερμοκρασία. Επειδή οι αλλαγές στην πυκνότητα είναι πολύ μικρές, μπορείτε να συνεχίσετε να χρησιμοποιείτε 1 g/cm3 για την πυκνότητα του νερού, εκτός εάν χρειάζεστε υπερβολικά ακριβείς υπολογισμούς ή το πείραμα βρίσκεται σε σκληρό περιβάλλον. Το παρακάτω γράφημα δείχνει πώς η πυκνότητα του νερού κυμαίνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία.

Λάβετε υπόψη ότι αυτές οι πυκνότητες ισχύουν μόνο για καθαρό νερό. Η πυκνότητα του αλμυρού νερού (και των ωκεανών) ποικίλλει ανάλογα με την ποσότητα του διαλυμένου αλατιού. Το θαλασσινό νερό έχει πυκνότητα μεταξύ 1,02 g/cm3 και 1,03 g/cm3, κάπως υψηλότερη από το καθαρό νερό.

Παράγοντες που επηρεάζουν την πυκνότητα του νερού

Πολλές μεταβλητές μπορούν να επηρεάσουν την πυκνότητα μιας ουσίας. Οι ακόλουθες μεταβλητές επηρεάζουν την πυκνότητα του νερού:

• Το νερό έχει πυκνότητα περίπου 1 γραμμάριο ανά κυβικό εκατοστό (1 g/cm3).
• Εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αν και η σχέση αναφέρεται ότι είναι μη γραμμική και μονοτροπική και όχι μονότονη στη φύση.
• Όπως και με άλλες ουσίες, όταν ψύχεται από τη θερμοκρασία δωματίου, το υγρό νερό τείνει να γίνεται προοδευτικά πυκνό, αλλά στους 4°C περίπου, το καθαρό νερό λέγεται ότι επιτυγχάνει τη μέγιστη πυκνότητά του.
• Καθώς ψύχεται περισσότερο, διαστέλλεται και χάνει την πυκνότητά του. Οι υψηλές διαμοριακές δυνάμεις, οι αλληλεπιδράσεις ή οι επαφές που εξαρτώνται από τον προσανατολισμό δημιουργούν αυτήν την ασυνήθιστη αρνητική θερμική διαστολή στο λιωμένο πυρίτιο.

Η αλατότητα έχει επίδραση στην πυκνότητα

Όταν το αλάτι διαλύεται στο γλυκό νερό, η πυκνότητα του νερού αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση της μάζας του νερού. Η αλατότητα είναι ένας όρος που αναφέρεται στην ποσότητα αλατιού που διαλύεται σε ένα δείγμα νερού. Όσο περισσότερο αλάτι διαλυθεί στο νερό, τόσο πιο αλμυρό είναι. Όταν συγκρίνονται δύο δείγματα νερού ίδιου όγκου, το δείγμα νερού με υψηλότερη αλατότητα θα έχει μεγαλύτερη μάζα και επομένως πιο πυκνό.

Η επίδραση της θερμοκρασίας στην πυκνότητα

Η θερμοκρασία μπορεί επίσης να επηρεάσει την πυκνότητα του νερού. Όταν θερμαίνεται ή ψύχεται ίσος όγκος νερού, η πυκνότητα του νερού ποικίλλει. Όταν το νερό θερμαίνεται, διαστέλλεται, με αποτέλεσμα την αύξηση του όγκου του. Το νερό καταλαμβάνει περισσότερη επιφάνεια και έχει μικρότερη πυκνότητα καθώς γίνεται πιο ζεστό. Με την ίδια αλατότητα ή μάζα, το δείγμα νερού με την υψηλότερη θερμοκρασία έχει μεγαλύτερο όγκο και επομένως είναι λιγότερο πυκνό.

Σχέση μεταξύ πυκνότητας και θερμοκρασίας

Η σχέση μεταξύ πυκνότητας και θερμοκρασίας είναι αντιστρόφως  ανάλογη. Δηλαδή, η πυκνότητα είναι ανάλογη της θερμοκρασίας προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τι σημαίνει αυτό όσον αφορά τον όγκο μονάδας:

• Η θερμοκρασία μειώνεται όσο αυξάνεται η πυκνότητα.
• Η θερμοκρασία αυξάνεται καθώς πέφτει η πυκνότητα.
• Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η πυκνότητα μειώνεται.
• Η πυκνότητα αυξάνεται καθώς μειώνεται η θερμοκρασία.

Η πυκνότητα οποιασδήποτε ουσίας μπορεί να προσδιοριστεί διαιρώντας τη μάζα της με τον όγκο της. Ο τύπος πυκνότητας είναι d =m/v, με την πυκνότητα να συμβολίζεται με το σύμβολο «d».

Ο πάγος έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό

Σε αυτή την άποψη, μέρος του παγόβουνου είναι υποβρύχιο. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η μάζα ενός παγόβουνου βρίσκεται σχεδόν εξ ολοκλήρου κάτω από την επιφάνεια του ωκεανού. Επειδή ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το νερό. Ο πάγος χάνει περίπου 9% πυκνότητα όταν παγώνει. Ο καλύτερος τρόπος για να δείτε πόσο διαφορετικές πυκνότητες νερού υπάρχουν είναι να κοιτάξετε το παγωμένο νερό. Τα μόρια στον πάγο είναι οργανωμένα σε ένα κανονικό πλέγμα και όχι τυχαία όπως στο υγρό νερό. Ο πάγος είναι λιγότερο πυκνός από το νερό επειδή η δομή του πλέγματος επιτρέπει στα μόρια του νερού να απλώνονται περισσότερο από ό,τι σε ένα υγρό. Ευτυχώς, το παγωμένο τσάι μας δεν έλιωσε, διαφορετικά δεν θα είχαμε ακούσει το απολαυστικό τσίμπημα των παγοκύβων στην άκρη του ποτηριού. Λόγω της παρουσίας αέρα στον πάγο, η πυκνότητά του διαφέρει από αυτή του νερού. Περίπου το 10% ενός παγόβουνου (ή παγόβουνου) θα βρίσκεται πάνω από το νερό.

Αυτή η ιδιότητα του νερού είναι ζωτικής σημασίας για όλη τη ζωή στη Γη. Πυκνότερο νερό (39°F/4°C) κατεβαίνει στον πυθμένα των λιμνών και άλλων υδάτινων μαζών. Οι λίμνες θα παγώνουν από κάτω προς τα πάνω εάν το νερό ήταν πιο παχύ στο σημείο πήξης. Επίσης, λόγω της υψηλής θερμικής ικανότητας του νερού, ορισμένες παγωμένες λίμνες ενδέχεται να μην ξεπαγώσουν πλήρως το καλοκαίρι.

Η πυκνότητα του νερού είναι δύσκολη αφού εξαρτάται από την ποσότητα των υλικών που διαλύονται σε αυτό. Το νερό της φύσης περιέχει μέταλλα, αέρια, άλατα, φυτοφάρμακα και παθογόνους παράγοντες. Ένα γαλόνι νερού γίνεται βαρύτερο και πυκνότερο καθώς διαλύει περισσότερα πράγματα—το νερό των ωκεανών είναι πιο πυκνό από το καθαρό νερό.

Συμπέρασμα

Στη φυσική και τη μηχανική, η πυκνότητα είναι μια θεμελιώδης έννοια. Όχι μόνο η πυκνότητα είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τη μάζα ενός αντικειμένου, αλλά είναι επίσης κρίσιμο για να αποφασίσουμε εάν ένα αντικείμενο θα επιπλέει όταν τοποθετηθεί στην επιφάνεια ενός ρευστού. Αν και η πυκνότητα δεν είναι τόσο κρίσιμη όσο οι βασικές δυνάμεις, είναι ωστόσο μια από τις πιο σημαντικές ιδιότητες μιας ουσίας που πρέπει να κατανοήσουμε.