אשכול האנומליה של המים - חלק א - גרף צפיפות המים
תיאור סיטואציה
ידוע כי עץ צף על פני המים ואילו ברזל שוקע במים – במה זה תלוי?
שמן קפוא שוקע בשמן נוזלי, אבל קוביות קרח צפות על פני המים – מדוע?
באשכול זה נעסוק בשאלות אלו.
מסה – היא כמות החומר המצויה בגוף כלשהו.*
היחידה למדידת מסה היא קילוגרם (ק"ג) או גרם, מיליגרם, טון ועוד.
צפיפות החומר – היא המסה של יחידת נפח של החומר, לדוגמא המסה של סמ"ק או המסה של מ"ק .
הצפיפות נמדדת ביחידות של מסה לנפח,
כלומר, בגרם לסמ“ק (\(\large\frac{gr}{cm^3}\)) או ב- ק“ג למ"ק (\(\large\frac{kg}{m^3}\)).
* הערה: המסה של גוף אינה משתנה ממקום למקום, והיא תהיה זהה בכדור-הארץ, על פני הירח או בכל מקום אחר. לעומת זאת, משקל הגוף תלוי בכוח המשיכה הפועל עליו, ולכן יהיה משקלנו על פני הירח קטן יותר!
חומר שצפיפותו קטנה יותר, צף על גבי נוזל שצפיפותו גדולה יותר.
בתמונה משמאל משורה המכילה מספר נוזלים השונים בצפיפות שלהם. הצפוף ביותר למטה, והכי פחות צפוף למעלה.
עץ צף על פני המים, שמן צף על פני המים. לעומת זאת, ברזל שוקע במים כי צפיפות הברזל גדולה מצפיפות המים.
כאשר מחממים חומר מסתו אינה משתנה, אבל צפיפותו משתנה. כמעט בכל החומרים הצפיפות קטנה כאשר הטמפרטורה עולה.
למשל, כדי שכדור פורח ימריא יש לחמם את הגז שבתוכו. החימום מקטין את צפיפות הגז שבתוך הבלון. כאשר צפיפות הגז תהיה קטנה מצפיפות האוויר, הכדור יעלה למעלה.
כאשר מקררים חומר בדרך כלל צפיפותו גדלה.
למשל, כשמקפיאים שמן צפיפותו גדלה. שמן קפוא צפיפותו גדולה יותר מצפיפות שמן נוזלי. ולכן אם נכניס קוביית שמן קפוא לתוך שמן נוזלי, הקובייה תשקע.
יוצאי דופן מבחינה זו הם מים (סרט):
https://youtu.be/vMcFfibIJaA
שמן צף על מים
1. בעיית מטרה 1: הקדמה
לפניכם גרף המתאר את התלות בין צפיפות של מים מתוקים לטמפרטורה של המים,
וכן את התלות בין צפיפות של קרח לטמפרטורה של הקרח.
התבוננו בגרף וענו על השאלות הבאות:
- השוו בין השתנות צפיפות המים כתלות בטמפרטורה, לבין השתנות צפיפות הקרח כתלות בטמפרטורה.
- הסבירו מדוע המים הם יוצאי דופן. או, במילים אחרות, הסבירו מהי האנומליה של המים. (אנומליה – חורג מהנורמה).
- צפיפות מים מתוקים ב- \(0^{\circ}C\) היא \(\large\frac{ג"ק}{ק"מ}\space\normalsize 999.87\).
ג1. מהי צפיפות הקרח ב- \(0^{\circ}C\)?
ג2. בכמה אחוזים משתנה צפיפות מים מתוקים כאשר הם הופכים לקרח?
הציגו את פתרונותיכם.
- אחרי שפתרתם את בעיית מטרה 1 (הקדמה), המשיכו לבעיית מטרה 2.
- או, במידת הצורך, פתרו את השאלות במדרגה 1.
הערה: שימו לב לסימון \(\approx\) המציין "קפיצה" בערכי הצפיפות,
בין 917.4 לבין 998.4, שפירושה שקנה המידה אינו אחיד.
(ניתן ללחוץ על התמונה ולהגדיל אותה)