Den dilatometriske anomalien er en enestående egenskap for oppførselen til visse kropper hvis tetthet , i stedet for å øke kontinuerlig (spesielt under tilstandsendringer ) under avkjøling, tvert imot reduseres fra en presis temperatur, noen ganger bare over visse temperaturintervaller: med andre ord , i disse intervallene utvides kroppen når temperaturen synker. Den vannet har en dilatometrisk anomali.
Flere grunnstoffer utgjør en tetthet uregelmessighet: antimon , vismut , gallium , germanium , plutonium og silisium så vel som visse legeringer slik som zirkonium wolframat α-Zrw 2 O 8og sinkcyanid . Claude Pouillet observerte allerede i 1836 at ”I en viss grad av den termometriske skalaen trekker herdet stål seg sammen i stedet for å utvide seg; dette er et bemerkelsesverdig unntak som utvilsomt kommer fra tilstanden der molekylene er funnet. " Men det viktigste kjemiske legemet som har denne avviket er fortsatt vann.
Under normale trykkforhold, når grunnvannet dens maksimale densitet på ca. 1000 kg · m -3 til 3,98 ° C . Under 3,98 ° C begynner vannet å ekspandere når temperaturen synker (inkludert under frysing ). I følge de siste målingene ville den maksimale tettheten av vann være ( 999,974 0,00 950 ± 084 kg · m -3 ) ved en temperatur på 3,983 ± 0,00 067 ° C : dette området er resultatet av gjennomsnittet av resultatene oppnådd i 2005 av forskjellige tyske fysikkinstitutter.
Vi kan uttrykke loven om variasjon av tettheten ρ LF av vann uten oppløst oksygen som en funksjon av temperaturen T ([ T ] = ° C) ved hjelp av virialligningen :
der koeffisientene har verdien:
a 0 = 999,839 52 kg · m -3 ; en 1 = 16,952 577 kg · m -3 · ° C -1 ; a 2 = -7,990 512 7 × 10 -3 kg · m -3 · ° C -2 ; a 3 = -4,624 175 7 × 10 -5 kg · m -3 · ° C -3 ; et 4 = 1,058 460 1 x 10 -7 kg · m -3 · ° C -4 ; a 5 = -2,810 300 6 × 10 -10 kg · m -3 · ° C -5 ; og b = 0,016887 2 ° C -1 .Når det gjelder tettheten av vann mettet med oppløst luft, kan vi korrigere forrige ligning som følger:
.I fast tilstand (når det gjelder vann, snakker vi åpenbart om " is "), resulterer krystallisering i en ordnet stabel med molekyler som danner et ekte krystallgitter . I flytende tilstand opptar den samme mengden molekyler normalt et større volum på grunn av de høye hastighetene til molekylene og eksistensen av en gjennomsnittlig fri vei . Og siden volumet øker, må tettheten avta (massen er konstant). Kaoset blir ekstremt i gassform: molekylene beveger seg i gjennomsnitt så mye som mulig for å fylle det tilgjengelige volumet så jevnt som mulig.
Forklaringen på dilatometrisk anomali av vann ligger i dannelsen av molekylære kjeder ved hydrogenbinding . På grunn av den spesifikke dannelsen av disse kjedene tar den faste krystallinske strukturen mer plass enn de løsrevne og mobile molekylene i flytende tilstand. Størking er en gradvis prosess, noe som betyr at det i flytende tilstand allerede er aggregater av bundne vannmolekyler. Ved 3,98 ° C er vannet i en tilstand der disse aggregatene opptar et minimumsvolum: dens tetthet er da maksimum. Når temperaturen fortsetter å bli senket, krever kontinuerlig utvikling av krystallstrukturen mer og mer plass; når tvert imot temperaturen økes, gir molekylær agitasjon en gjennomsnittlig fri vei som ikke er null, noe som resulterer i en tilsynelatende utvidelse.
Vannets dilatometriske anomali spiller en betydelig rolle i overlevelsen av innsjøarter i bresoner. På grunn av denne dilatometriske anomalien, under en temperatur på 4 ° C, konverterer kaldt overflatevann ikke lenger nedover, noe som forhindrer kjøling av dypere vann. Det er en inversjon av termisk lagdeling mellom sommer og vinter (se ill. Motsatt), som om vinteren gir et inversjonslag : dypvannet forblir relativt isotermisk, og dyr og planter kan til en viss grad overleve under is .