Vesipisaroita

Vesipisara lehdellä

Vesimolekyylien välinen koheesiovoima pitää pisaran pyöreänä. Adheesio pitää pisaran paikallaan lehdellä. Kuva: Mika Toivonen

Monelle lomalaiselle taivaalta tippuvat vesipisarat ovat tulleet tänä kesänä varsin tutuiksi. Tätä elämänmuodollemme välttämätöntä liuotinta kaadamme kurkkuumme päivittäin, puhdistamme sillä vaatteemme sekä patoamme suurin määrin energiantuotantoon. Harvemmin kuitenkaan pysähdymme miettimään veden ainutlaatuista olemusta tarkemmin.

Vesi esiintyy luonnonolosuhteissa kiinteänä jäänä, nestemäisenä vetenä ja kaasumaisena vesihöyrynä. Veden olomuotomuutokset ovat hyvinkin keskeisessä roolissa yhtä lailla ilmaston kannalta, mutta myös luonnon kasvien, eläinten ja ihmisten lämmönsäätelyssä.

Veden korkean ominaislämpökapasiteetin ja höyrystymislämmön vuoksi olomuotomuutokset vaativat tapahtuakseen varsin suuren energiamäärän. Tämä ominaisuus tekee vedestä erittäin käyttökelpoisen aineen lämmönsiirtoon ja -varastointiin.

Vesimolekyyli koostuu yhdestä happi- ja kahdesta vetyatomista, jotka ovat keskenään sitoutuneet kovalenttisiksi sidoksiksi kutsutulla sähkömagneettisella voimalla. Varausjakauma vesimolekyyleissä ei ole aivan tasainen, mikä tuo vesimolekyylille dipoliluonteen. Dipolia voi tässä tapauksessa ajatella hyvin (hyvin) pikkuriikkisenä paristona tai magneettina (paitsi se ei ole tietenkään näistä kumpaakaan, mutta menköön nyt tällä kertaa ajattelun apuvälineeksi). Vesimolekyylin dipoliluonteen seurauksena vesimolekyylejä voi ohjata sähkökentässä, esimerkiksi ohut kraanasta valuva vesivana taipuu sähköisesti varautuneen kamman läheisyydessä. Vesimolekyylien poolisuutta voi hyödyntää myös laittamalla ne värähtelemään ja lämpenemään mikroaaltouunin suurtaajuisessa sähkömagneettisessa kentässä.

Vesimolekyylien välillä vaikuttaa voimia, kuten vetysidosvoimat, van der Waals -vuorovaikutusvoimat sekä dipoli-dipoli -sidoksien väliset voimat. Näistä tietysti kaikki, mutta erityisesti vetysidosvoimat ovat vastuussa veden mielenkiintoisista fysikaalisista ominaisuuksista. Veden korkea sulamis- ja kiehumispiste sekä veden erikoinen ominaisuus olla painavinta juuri +4 Celcius-asteisena ovat näiden voimien ansiota. Ominaisuutta ainakin kalat kiittävät, sillä se pitää talvisin järven yleensä edes pohjasta sulana.

Vesimolekyylien väliset vetysidosvoimat (koheesiovoimat) sekä veteen kosketuksessa olevan aineen väliset voimat (adheesio) tuottavat vedelle myös muita mielenkiintoisia ominaisuuksia. Syvällä vedessä molekyylien väliset voimat jakautuvat tasaisesti, mutta veden pinnalla voimien yhteisvaikutus suuntautuu alaspäin. Tämä luo eräänlaisen joustavan kumimaisen kalvon veden pintaan.

Ilmiö tunnetaan pintajännityksenä. Vesi on tunnetusti märkää, mutta juuri pintajännityksen vuoksi se ei ole lainkaan riittävän kastelevaa esimerkiksi pyykinpesuun. Veteen liuenneet suolat (myös tavallinen ruokasuola kelpaa, jos asiaa haluaa kokeilla) nostavat veden pintajännitystä. Saippuan ainesosat puolestaan pienentävät veden pintajännitystä. Pintajännityksen pienentyessä veden pisarakoko tulee pienemmäksi liuottaen näin likaa entistä paremmin.

Pintajännitys on elinehtona vesimittarin tyyppisille hyönteisille, jotka kykenevät näin sulavasti luistelemaan kesällä tyynellä järvenpinnalla. Pintajännitys, tässä tapauksessa osin ehkä myös Arkhimedeen lain noste ovat riittävän vahvoja kannattelemaan jopa kevyimpiä kolikoita.

Puolestaan adheesion ja koheesion tasapainotilana syntyvä kapillaari-ilmiö lienee tuttu kahvinjuojille. Kapillaari-ilmiön seurauksena varovasti kahvikuppiin kulmasta kastettu sokeripala vettyy painovoimaa uhmaten hetkessä kokonaan. Vastaavalla tavalla myös kasvit saavat nostettua vettä ohuiden hiussuonien avulla aina juuresta latvaan saakka.

Mikäli kesäloma kaikesta huolimatta uhkaa mennä säätilan suhteen pieleen, voi sadepäivien ratoksi aina kokeilla rakentaa veden potentiaalienergiaa hyödyntävän, jo vuonna 1867 kehitetyn Kelvinin elektrostaattisen generaattorin!

Lisätietoja:
http://www.splung.com/content/sid/3/page/electrostatic_machines

Video:
Kelvin electrostatic generator, Dr. Walter Lewin, MIT
http://www.youtube.com/watch?v=GTt-qM1UwXo

http://fi.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waalsin_voima + koheesio, adheesio

Tämä kirjoitus kuuluu kategoriaan Sää ja luonto. Tagit: , , , , , , . Pysyvä linkki.

Kommentointi poistettu

Forecan blogissa on käytössä kommenttien esimoderointi eli blogin ylläpitäjän on hyväksyttävä kommentti ennen kuin se näkyy blogissa. Kommentteja käydään läpi toimistotyöajan puitteissa.

Blogin keskusteluun voi osallistua asiallisilla, aiheeseen liittyvillä ja toisia kunnioittavilla kommenteilla. Viestejä voidaan jättää julkaisematta ylläpidon harkinnan mukaan, esimerkiksi jos viesti on loukkaava, ei liity blogin aiheeseen, sisältää selkeää tahallista provosointia tai on muutoin asiaton.