22. Особенности теплового расширения воды как условие жизни организмов в водной среде обитания

Определения и обозначения

Температура воды — величина, показывающая, насколько вода нагрета. При изменении температуры меняется и объём: обычно при нагревании он увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Это помогает понять, почему водные слои могут занимать разное положение в водоёме. Однако у воды возле замерзания есть важное исключение.

Тепловое расширение — увеличение объёма вещества при нагревании. У большинства веществ при охлаждении объём уменьшается, но вода ниже примерно 4 °C ведёт себя иначе: при дальнейшем охлаждении она расширяется. Это свойство нужно учитывать, чтобы объяснить, почему холодная вода не всегда опускается на дно. Оно также связано с тем, что лёд образуется сначала у поверхности.

Наибольшая плотность воды — состояние, при котором одинаковый объём воды имеет наибольшую массу. Для воды оно наблюдается примерно при 4 °C. Плотность помогает сравнить водные слои: более плотная вода стремится опуститься ниже, а менее плотная остаётся над ней. Поэтому температура влияет на перемещение воды в озере.

Ледяной покров — слой льда на поверхности водоёма. Он отделяет воду от холодного воздуха и замедляет дальнейшее охлаждение глубины. Подо льдом обычно сохраняется жидкая вода. Это помогает водным организмам пережить зимний холод.

Как это устроено

Если охлаждать воду от комнатной температуры примерно до 4 °C, её объём уменьшается. При этом та же масса воды занимает меньше места, значит, плотность увеличивается. Вода становится тяжелее по сравнению с равным объёмом более тёплой воды и опускается. Ниже 4 °C происходит обратное изменение объёма: вода расширяется, поэтому её плотность становится меньше. Этим вода отличается от многих других веществ, которые при охлаждении продолжают сжиматься.

Примерно при 4 °C плотность воды наибольшая. Если сравнить одинаковые объёмы воды разной температуры, вода около 4 °C будет иметь наибольшую массу. Более тёплая вода менее плотная и остаётся выше, а вода холоднее 4 °C тоже менее плотная. Поэтому при охлаждении вода перемещается не просто от тёплой к холодной: важна ещё и её плотность.

Осенью вода у поверхности теряет тепло, потому что соприкасается с более холодным воздухом. Пока она остывает от тёплой температуры до примерно 4 °C, её плотность растёт, и она опускается. На её место приходит другая, более тёплая поверхностная вода, которая тоже охлаждается и опускается. Такое перемешивание продолжается, пока вода в водоёме не охладится примерно до 4 °C.

Затем верхний слой может остыть ниже 4 °C. При этом вода расширяется и становится менее плотной, поэтому уже не опускается, а остаётся у поверхности. Нижние слои, которые близки к 4 °C, плотнее и находятся глубже. Поверхностная вода охлаждается дальше и замерзает раньше, чем вода в глубине. Так необычное изменение плотности определяет, где в водоёме появляется лёд.

Образовавшийся лёд легче жидкой воды, поэтому плавает и покрывает поверхность. Он мешает воде быстро отдавать тепло холодному воздуху, хотя и не прекращает охлаждение полностью. В результате водоём обычно не промерзает до дна, и подо льдом остаётся жидкая вода. В ней водные организмы могут пережить зиму, если условия в водоёме подходят для их жизни.

Изменение плотности и положения воды при охлаждении

Читайте таблицу сверху вниз, чтобы проследить, как при охлаждении меняются плотность и положение воды. Сравнивайте каждый слой с водой около 4 °C: именно у неё плотность наибольшая. Последняя строка показывает, почему лёд оказывается сверху и влияет на условия под ним.

Разбор задач

Задача 1

Верхний слой воды в озере осенью остыл с 10 °C до 4 °C. Определите, будет ли он опускаться, и объясните почему. Чтобы решить задачу, сравним плотность воды при этих температурах. Важно проследить, что происходит с объёмом одной и той же массы воды при охлаждении до 4 °C.

1. При 10 °C вода теплее, чем при 4 °C, и её плотность меньше наибольшей плотности воды.
2. При охлаждении до 4 °C объём воды уменьшается, а плотность увеличивается.
3. Более плотная вода опускается ниже, поэтому охлаждённый слой перемещается вниз.

Ответ: да, вода будет опускаться, потому что при охлаждении с 10 °C до 4 °C её плотность увеличивается и становится наибольшей.

Задача 2

В начале зимы температура поверхности озера стала ниже 4 °C. Объясните, почему эта вода не опускается на дно. Не следует рассуждать только по правилу «холоднее — значит плотнее»: около замерзания вода меняет объём необычным образом. Сравним поверхностную воду с водой, которая остаётся около 4 °C.

1. При охлаждении ниже 4 °C вода расширяется.
2. Из-за увеличения объёма плотность этой воды уменьшается.
3. Вода с меньшей плотностью остаётся выше более плотной воды, поэтому слой не опускается на дно.

Ответ: вода холоднее 4 °C не опускается, потому что она менее плотная, чем вода около 4 °C, и остаётся у поверхности.

Задача 3

Сравните два водоёма: один покрыт льдом, другой промёрз до дна. В каком случае водные организмы с большей вероятностью переживут зиму? Обоснуйте ответ, используя свойства воды и льда. Нужно выяснить, остаётся ли в водоёме жидкая вода и как поверхность влияет на её охлаждение.

1. Лёд менее плотный, чем жидкая вода, поэтому он плавает и образует покров.
2. Покров замедляет отдачу тепла, а вода около 4 °C может оставаться в глубине, поскольку она плотнее холодной поверхностной воды.
3. В покрытом льдом водоёме сохраняется жидкая среда, а при промерзании до дна её нет.

Ответ: с большей вероятностью организмы переживут зиму в водоёме, который покрыт льдом, но не промёрз до дна. Под ледяным покровом обычно остаётся жидкая вода, необходимая для жизни.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что вода при любом охлаждении сжимается. Так думают, потому что у многих веществ объём при охлаждении уменьшается. Проверьте себя: при температуре ниже примерно 4 °C вода, наоборот, расширяется.

• Ошибка: полагать, что самая холодная жидкая вода всегда опускается. Кажется, что холодная вода должна быть плотнее, но около замерзания это правило не работает. Сравните её с водой при 4 °C: последняя имеет наибольшую плотность, а более холодная вода остаётся выше.

• Ошибка: считать, что лёд тонет, потому что он твёрдый. Твёрдое состояние не означает, что вещество обязательно плотнее жидкости. Проверьте себя по положению льда в водоёме: он плавает, потому что его плотность меньше плотности жидкой воды.

• Ошибка: утверждать, что водоём всегда полностью замерзает зимой. Такое предположение не учитывает действие ледяного покрова. Проверьте, остаётся ли подо льдом жидкая вода: покров замедляет охлаждение, поэтому водоём обычно не промерзает до дна.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о температуре, нагревании и охлаждении, объёме и плотности вещества, а также о плавлении и замерзании. Они помогают связать изменение температуры воды с её перемещением и образованием льда. Эта тема пригодится при изучении приспособленности организмов к среде обитания и сезонных изменений водоёмов. С её помощью можно объяснить, почему зимовка водных организмов зависит от того, сохраняется ли в водоёме жидкая вода.

Что запомнить

• Вода необычно изменяет объём при охлаждении около точки замерзания.
• Наибольшая плотность воды наблюдается примерно при 4 °C.
• Вода при 4 °C опускается глубже, чем более холодная или тёплая вода.
• Охлаждённая ниже 4 °C вода остаётся у поверхности и замерзает первой.
• Лёд плавает, потому что его плотность меньше плотности жидкой воды.
• Ледяной покров помогает воде под ним оставаться жидкой и сохраняет условия для жизни.