Tại sao khi lạnh nước không đóng băng toàn bộ một lúc mà lại đông cứng từ trên xuống?

Nước là loại vật chất đã quá quen thuộc với chúng ta. Nó hiện diện ở khắp nơi và là một phần không thể thiếu của cuộc sống. Người ta có thể sống ngày qua ngày nếu chỉ ăn chay hoặc chỉ ăn mặn nhưng dù là ai cũng không thể thiếu nước mà tồn tại được.

Nhưng có lẽ chính vì quá quen thuộc mà người ta thường bỏ qua, không để ý về chất lỏng thú vị này.

Nước luôn đóng băng từ trên xuống.

Nổi bật ở nước là chúng thường đóng băng từ phía trên xuống rồi lan tỏa dần dần xuống chứ không giống các chất khác, đóng băng từ dưới lên. Một ví dụ dễ thấy là ở các vùng sông hồ của những khu vực ôn đới, hàn đới - nơi có khí hậu lạnh hơn nhiều vào mùa đông, hầu hết tất cả đều bị đóng băng toàn bộ trên bề mặt.

Để lý giải cho hiện tượng này, chúng ta cần phải hiểu được tính chất có phần "kỳ quặc" của nước. Khi thời tiết không quá lạnh hay cụ thể hơn là khi nhiệt độ ở trên mức 4 độ C (39,2 độ F) thì nước tuân theo đúng những quy tắc vật lý bình thường như nóng nở, lạnh co.

Khi nhiệt độ ở dưới mức 4 độ C, bản chất của nước thay đổi 180 độ, chúng gặp lạnh thì nở mà gặp nóng thì co.

Tuy nhiên khi nhiệt độ ở dưới mức 4 độ C đó, mọi chuyện lại hoàn toàn khác. Lúc này, bản chất của nước thay đổi 180 độ, chúng gặp lạnh thì nở mà gặp nóng thì co. Nếu nhiệt độ tiếp tục giảm, mật độ tiếp tục tăng lên và nước (ở trạng thái rắn) tiếp tục mở rộng. Khối lượng của chúng tỷ lệ nghịch với thể tích.

Điều đó có nghĩa, với cùng một lượng nước, trạng thái rắn nước sẽ nhẹ hơn và nổi lên trên, những phân tử nước ấm nặng hơn sẽ chìm xuống dưới. Do đó, nước luôn bắt đầu đóng băng ở trên bề mặt trước.

Ngoài ra, băng ít đậm đặc hơn nước do cách nó tạo thành từ cấu trúc tinh thể hình lục giác. Mỗi phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro liên kết với đáy của một nguyên tử oxy. Khi băng hình thành, các nguyên tử hydro của một phân tử nước hình thành liên kết hydro yếu hơn với đỉnh nguyên tử oxy của hai phân tử nước khác.

Ở các khu vực ôn đới hoặc hàn đới, việc mặt hồ bị đóng băng là chuyện khá bình thường.

Việc sắp xếp các phân tử nước trong mô hình này chiếm nhiều không gian hơn so với việc chúng bị xáo trộn ngẫu nhiên với nhau (như trường hợp trong nước lỏng). Và bởi vì cùng một khối lượng phân tử chiếm nhiều không gian hơn khi bị đóng băng, nước đá ít đậm đặc hơn nước lỏng.

Sách giáo khoa Kỹ thuật sông và hồ của George D. Ashton nói: "Khi một hồ nước lạnh từ trên 4°C, nước trên bề mặt mất nhiệt, trở nên đậm đặc hơn và chìm xuống. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả nước trong hồ ở 4°C, khi mật độ của nước ở mức tối đa.

Nếu nhiệt độ tiếp tục lạnh thêm, sẽ xuất hiện một lớp nước ổn định, nhẹ hơn ở bề mặt. Khi lớp này nguội dần đến điểm đóng băng của nó, băng bắt đầu hình thành trên bề mặt của cái hồ".