נוסח השאלה המלא: מדוע נסדקת מבחנה לא פקוקה המכילה מים מזוקקים כאשר מקפיאים אותם בפריזר. תופעה זו אינה מתרחשת כאשר המים הם מי ברז או כאשר המבחנה איננה ניצבת ב-90 מעלות?
ראשית הסבר קצר מדוע כלי זכוכית מלאי מים נסדקים ומתפוצצים כאשר מקפיאים אותם: הסיבה היא האַנוֹמַלְיַה של המים, (אנומליה משמעה התנהגות א-נורמלית, שסוטה ממה שמתרחש בדרך-כלל). רוב החומרים בטבע מתכווצים כאשר מקררים אותם, כלומר נפחם קטן ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר. גם מים מתנהגים ככה, כלומר ככל שמקררים אותם הם תופסים פחות נפח, אבל כאשר הטמפ' של המים מגיעה ל 4oC הנפח של המים מתחיל להתנהג בצורה לא נורמלית, ולגדול!, ההתנהגות ממשיכה עד טמפ' של 0oC. שאז המים הופכים לקרח (מוצק) – בסופו של דבר קרח תופס נפח גדול יותר ממים בכ10%. (זאת הסיבה שקרח צף על מים, כי בגלל הנפח הגדול, המשקל הסגולי של הקרח קטן יותר משל מים). כאשר מקפיאים מים בתוך כלי סגור ולא גמיש - כמו זכוכית (יודע זאת כל מי שעשה את הטעות והקפיא בקבוק זכוכית), הקרח המתפשט בזמן תהליך הקפיאה פשוט מפוצץ את הכלי. לקרח המתפשט כוח רב מאוד: במדינות קרות נוהגים להשאיר בחורף זרימה תמידית של מים בברזים – אחרת המים שקופאים בצינורות עלולים לסדוק גם אותם!
בקשר לתנוחת המבחנה (בהנחה שהמבחנה לא מלאה עד הסוף)-
כאשר המבחנה ניצבת, כפי שניתן לראות בתמונה הבאה, שטח החתך הפנוי להתפשטות הקרח הוא קטן מאוד (כשטח החתך של המבחנה), כיוון שכך, ובייחוד אם החלק העליון של המבחנה קופא ראשון ופוקק את המבחנה, במהלך תהליך הקפיאה אין לקרח שטח פנוי להתפשט, והוא סודק ומפוצץ את המבחנה.
כאשר המבחנה שוכבת-
יש שטח פנוי גדול יחסית שמאפשר למים/קרח להתפשט בזמן הקירור, ולכן המבחנה לא נסדקת. אם תנסי להקפיא מבחנה מלאה עד הסוף וסגורה בפקק חזק – היא תיסדק בשתי התנוחות – כי בכל מקרה לא יהיה לקרח נפח פנוי להתפשטות.
בקשר להבדל בין מים מזוקקים למי-ברז-
מניסיוני האישי – בקבוק של מי ברז נשבר אצלי במקפיא פעם, כך שיתכן שהמבחנה עם מי-הברז שלא נסדקה לך, זאת פשוט מקריות. אולם, ניתן לחשוב על סיבה פיזיקלית שתסביר את התופעה: כאשר ממיסים מלחים בתוך מים נקודת הקיפאון שלהם יורדת (תמיסה של 23.3% מלח בישול במים קופאת רק ב(מינוס) -21.2oC- !). מי ברז מכילים מלחים מומסים, מים מזוקקים...הם מזוקקים, אין בהם מלחים. כלומר מים מזוקקים קופאים בדיוק באפס מעלות, ואילו עבור מי-ברז הקיפאון מתרחש בטמפ' נמוכה יותר. כלומר עבור מי-ברז תהליך הקיפאון ממושך יותר, והמים נמצאים במצב נוזל בטווח טמפ' גדול יותר, כלומר – בתהליך ההתפשטות (שכאמור מתרחש בין 4 ל- 0 מעלות) המים נשארים נוזלים, ויכולים לזרום במעלה המבחנה, ולא לפוצץ אותה (בניגוד לקרח מוצק, שנוצר בחדות באפס מעלות, בנפח גדול, עבור מים מזוקקים. קרח מוצק לא יכול לזרום למעלה ולכן מפוצץ את המבחנה). {כדי לאשש או לשלול אם זאת אכן הסיבה יש לערוך ניסוי די מסובך: לצלם בווידאו את תהליך הקפיאה של מי-ברז ומים מזוקקים תוך כדי רישום מתמיד של הטמפ'. אם יש לך את האמצעים והסקרנות – הייתי ממליץ לבצע הניסוי}
מאת:
ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
