Đá Nổi Trên Mặt Nước

Bạn đang xem: Đá nổi trên mặt nước

Thông thường, chất rắn đặc hơn chất lỏng Vậy tại sao nước đá lại là ngoại lệ? Có lẽ một món đồ uống mát lạnh vào ngày nắng nóng trông sẽ không hấp dẫn lắm nếu những viên đá rơi xuống đáy ly như một viên đá. Nhưng tại sao băng lại nổi trên mặt nước? Trong thực tế, tại sao bất cứ điều gì lại nổi cả?

Điều gì làm cho một cái gì đó nổi?

Một vật thể nhỏ hơn nước sẽ nổi. Chúng ta có thể giải thích hiện tượng này với sự trợ giúp của một lý thuyết gọi là nguyên lý của Archimedes.Trước khi bạn tiếp tục, chúng tôi nên cảnh báo bạn: lời giải thích sau đây sẽ chứa đựng rất nhiều phép toán.Khi bạn đặt một vật vào cốc nước, nó sẽ cảm nhận được một lực nổi đẩy vật đó lên trên so với trọng lực. Để vật thể ở dưới nước hoàn toàn hoặc một phần, một phần nước phải bị dịch chuyển - bạn có thể nhìn thấy khi mực nước dâng lên.
Nguyên lý của Archimedes nói rằng lực đẩy lên của vật thể chìm bằng trọng lượng của phần nước bị dịch chuyển. Trọng lượng của một vật bằng khối lượng của nó nhân với g, gia tốc do trọng trường. Vì vậy, lực nổi hướng lên - hãy gọi là F B , đối với lực nổi - bằng khối lượng x g của nước.Mật độ là khối lượng chia cho thể tích, chúng ta có thể sắp xếp lại để nói rằng khối lượng là mật độ nhân với thể tích. Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng F B , lực nổi của chúng ta, do đó, bằng khối lượng riêng của nước x khối lượng nước x g.

Để một vật nổi trong nước, lực nổi của nó ít nhất phải lớn bằng trọng lượng của nóĐối với một cái gì đó có thể nổi, lực đẩy lên ít nhất phải lớn bằng lực hấp dẫn. Vậy điều gì quyết định điều này xảy ra? Nó đi đến nhận thức khiến Archimedes nhảy ra khỏi bồn tắm của mình và hét lên 'Eureka!' và trần truồng chạy xuống phố: anh ta nhận ra rằng thể tích của phần nước bị dịch chuyển bằng thể tích của vật thể ở dưới nước. Vì vậy, nếu thể tích của nước bằng thể tích của vật chìm thì lực nổi F B của ta bằng khối lượng riêng của nước x thể tích của vật bị ngập x g.Lực nổi này ít nhất phải lớn bằng lực hấp dẫn. Công của trọng lực tác dụng lên vật là? Đó là trọng lượng của vật thể: khối lượng của vật thể x g. Chúng ta có thể sử dụng thủ thuật tương tự như trước đây và nói rằng trọng lượng của vật thể, mà chúng ta gọi là W, bằng khối lượng riêng của vật thể x thể tích của vật thể ngập nước x g. Điều này gần giống như biểu thức cho F B , với một điểm khác biệt: mật độ. Vì vậy, lực nổi sẽ cân bằng lực hấp dẫn nếu khối lượng riêng của vật thể nhỏ hơn khối lượng riêng của nước.Tất cả những điều này đều đi đến một quy luật đơn giản: một vật thể sẽ nổi trên mặt nước nếu nó ít đặc hơn.

Chất rắn đặc hơn chất lỏng là gì?

Chất rắn sẽ nổi trên chất lỏng nếu nó ít đặc hơn, nhưng rất hiếm khi ở dạng rắn của một vật liệu ít đặc hơn chất lỏng.Một vật chất có thể hình thành các trạng thái vật chất chỉ khác nhau ở cách sắp xếp các hạt. Trong chất rắn, các phân tử tự gói chặt với nhau thành một mô hình lặp lại có trật tự, gọn gàng được gọi là mạng tinh thể.

Xem thêm: Tóm Tắt Tiểu Sử Năm Sinh Mc Trần Quang Minh (Biên Tập Viên), Mc Trần Quang Minh

Nếu bạn tiếp tục đun nóng nó, cuối cùng các phân tử sẽ tách ra khỏi nhau hoàn toàn và tạo thành khí.Khi vật liệu trải qua mỗi giai đoạn thay đổi, nó trở nên ít đặc hơn.

Tại sao nước đá ít đặc hơn nước?

Nếu chất rắn đặc hơn chất lỏng thì tại sao nước đá lại nổi trên mặt nước? Vì nước là một trường hợp đặc biệt. Các phân tử trong nước bị ảnh hưởng bởi một hiện tượng được gọi là liên kết hydro.Phân tử nước là một phân tử hình chữ V được tạo thành từ một nguyên tử oxy ở trung tâm với một nguyên tử hydro ở mỗi bên. Phân tử được liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, đó là khi hai nguyên tử chia sẻ một cặp electron.

Tuy nhiên, nguyên tử oxy kéo các electron mang điện tích âm này mạnh hơn nhiều so với nguyên tử hydro có thể. Kết quả là, các điện tử có xu hướng di chuyển gần nguyên tử oxy hơn là một trong hai nguyên tử hydro. Điều này khiến toàn bộ phân tử có một điện tích âm nhẹ xung quanh đầu oxy và một điện tích dương nhẹ xung quanh đầu hydro. Vì các điện tích trái dấu nhau thu hút, các điện tích nhẹ trên các phân tử khác nhau tương tác với nhau. Những tương tác này được gọi là liên kết hydro (về mặt kỹ thuật mà nói, không phải là liên kết).Ở dạng lỏng, khi các phân tử di chuyển xung quanh, các liên kết hydro hình thành và đứt gãy liên tục, và các phân tử có thể trượt qua nhau. Tuy nhiên, khi nước nguội đi, nó bắt đầu hình thành cấu trúc mạng tinh thể. Trong khi các phân tử muốn hình thành liên kết hydro giữa các điện tích âm và dương nhẹ, các điện tích giống nhau đẩy nhau, ngăn các phân tử lại gần nhau hơn. Kết quả là tạo ra một cấu trúc ít đặc hơn một chút so với nước lỏng.

Có thể ngăn băng nở ra không?

Nước đặc nhất ở nhiệt độ khoảng 4 ° C. Nếu bạn làm lạnh nó thêm nữa, nó bắt đầu nở ra trở lại, và khi nó đã hoàn toàn đông đặc thành băng, nó sẽ tăng thể tích lên khoảng 9%. Áp suất gây ra bởi lớp băng đang giãn nở này không phải là vô hạn nhưng nó rất lớn. Mô đun số lượng lớn của băng là khoảng 8,8 x 10 9 pascal. Điều này có nghĩa là nếu bạn đậy kín một thùng chứa đầy nước và đóng băng nó, áp suất lên các thành bên của thùng chứa sẽ xấp xỉ 790 megapascal hoặc 114.000 pound trên inch vuông. Đó là 7.800 bầu khí quyển và theo Giáo sư Martin Chaplin của Đại học London South Bank, chuyên gia hàng đầu thế giới về đặc tính của chất kỳ lạ này, không có vật liệu nào trên Trái đất có khả năng chịu được áp suất tạo ra. - Robert Matthews

Nếu không có chỗ để giãn nở, liệu nước vẫn đóng băng?

Nếu bạn cho nước vào một bình chứa rất cứng và cứng và tiếp tục làm lạnh nó, áp suất sẽ bắt đầu tăng lên khi ngày càng nhiều phân tử áp dụng sự hình thành mạng tinh thể và ép các phân tử còn lại vẫn ở trạng thái lỏng tự do. Nếu vật chứa không bị vỡ, áp suất sẽ tăng rất nhanh cho đến khi cuối cùng đạt khoảng 200 megapascal (khoảng 2000 Khí quyển), các nguyên tử bắt đầu sắp xếp lại thành một cấu hình mới, nhỏ gọn hơn. Có 13 dạng băng đã biết, ổn định ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau. Băng thông thường được gọi là băng Ih, trong khi đặc nhất trong số các loại áp suất cao là băng III. Trong một bình kín, áp suất giãn nở sẽ đạt đến điểm cân bằng và nước sẽ đóng băng dưới dạng hỗn hợp nước đá Ih và nước đá III. - Keiron Allen Theo Science Focus