Led

Voda je skvělá látka – v tekuté formě ji můžeme pít, vodní pára nás nahřeje v sauně nebo nám roztočí turbínu, sněhové vločky potěší děti možností vytvořit sněhuláka, oko vědce za mikroskopem zase krásou, po ledu se můžeme klouzat. Klouzat? Čím to vlastně je, že se můžeme klouzat?

Led je hladký

Ano, ale to by ke klouzání nestačilo. Sklo je také hladké, ale nezabruslíte si na něm. Ve skutečnosti totiž nebruslíme po ledě, ale po tenké vrstvě vody!

Bruslař mění led na vodu tlakem

Tlak snižuje bod tání – čím má bruslař větší hmotnost, tím větší tlak na brusli vyvíjí. Tento tlak by ale na podstatnější změnu teploty a ke vzniku vodní vrstvičky nestačil. Ostatně puk klouže po ledu stejně dobře jako hokejista.

Voda studenější než nula

Je to tak, nepotřebujeme tlak. Nad povrchem ledu je vždycky cca 70 nm tenká vrstvička kapalné vody, a to i při teplotě pod bodem mrazu. Je to proto, že molekuly nejvrchnější vrstvy nemají z jedné strany sousedy (jiné molekuly vody), nejsou tedy tak pevně vázány. Takže led je mokrý sám o sobě a my se můžeme krásně klouzat.

Jak voda mrzne?

V zimě je v přírodě voda v jezírku prochlazována shora, studeným vzduchem. Od 4 °C výše se chová jako každá jiná kapalina, tedy shora chladnoucí voda je hustší než teplejší voda níže, samovolně klesá a tím by napomáhala celkovému promrznutí jezírka. Naštěstí pro všechny jeho živé obyvatele ale má voda při 4 °C nejvyšší hustotu, a v teplotách 0 °C až 4 °C se naopak ochlazováním stává řidší. Voda v jezírku tedy nejprve celá prochladne samovolným mícháním na 4 °C, a když odpadne mechanismus samovolného míchání, voda chladne shora jen vedením tepla. Nahoře se nakonec vytvoří vrstva ledu, voda i led jsou v hydrostatické rovnováze, nemíchají se, a voda v hloubce tedy chladne jen vedením tepla skrz led a klidnou kapalinu. Toto vedení je ale celkem pomalé, mimoto na ztuhnutí vody 0 °C chladné na led je potřeba odebrat obrovské množství tepla – to všechno vede k tomu, že dostatečně hluboká jezírka i v celkem tuhé zimě nemusí promrznout na dno (čímž by vše živé zahynulo potrháním buněk vznikajícími krystaly vody), ale že v nejspodnějších vrstvách zbyde kapalná voda o teplotě 4 °C. Je to málo, ale přežít se v tom dá.

Jak led taje?

Mohli bychom očekávat, že proces bude ekvivalentní, jen opačný. Ale není tomu tak. Když voda mrzne, vrstvička vzduchu těsně nad ledem je teplejší, má tendenci stoupat. Přirozená konvekce přispívá k chlazení. Když led taje v důsledku vyšší teploty vzduchu, led je studenější a vrstvička vzduchu nejblíže k němu je studenější než ostatní vzduch, nemá tedy tendenci stoupat. Tání ledu je pomalejší než tuhnutí.

Jak led ubývá?

I když je teplota pod nulou, mohou molekuly vody přímo přecházet z pevné fáze do plynné – dochází k sublimaci. Bruslař se bojí, že se mu led na rybníce ztenčí. Jenže sublimace ochlazuje povrch ledu, který tak odspodu přirůstá rychleji, než nahoře sublimací ubývá.

Jestli jste si dosud mysleli, že je vám vše o vodě a jejích fázových přechodech jasné, tak jste na tenkém ledě…

Podle Europhysics News 41/6, 20101, http://www.europhysicsnews.org