Ursprunglig fråga:
När vatten fryser till is utvidgas det ju. Hur stor är den kraften? Mätt i Newton.
/Ellen L, Finnvedens Gymnasium, Värnamo

Svar:
Ellen! För att ge kraften i Newton måste man definiera på vilken yta kraften verkar. Vi börjar med att se vilka tryck i amtmosfärer, där 1 atm = 1.013 10⁵ Pa (N/m²), som krävs för en fasövergång.

Vi behöver även ett så kallat fasdiagram som är en plot med temperatur på x-axeln och tryck på y-axeln där man markerar ämnets aggregationstillstånd (gas, vätska eller fast form) i diagrammet. I fråga 12715 finns ett fasdiagram för vatten. För att vi skall kunna se detaljerna bättre finns en variant nedan där vi zoomat in det intressanta området. Diagrammet är från Water Structure and Science . Det blå området är is (av flera olika typer) och det grönaktiga vatten.

Låt oss som ett exempel utgå från is med temperaturen -10^oC och atmosfärstryck. Om vi ökar trycket långsamt och håller temperaturen konstant, så kommer isen att smälta vid trycket 113 Mpa (c:a 1100 atmosfärer) och sedan återgå till is vid 443 MPa (c:a 4400 atmosfärer).

Låt oss anta att vårt prov har en yta på 1 cm² = 0.0001 m². Trycket 113 MPa [MN/m²] motsvarar då kraften 0.0001*113*10⁶ = 11300 N. Detta är en kraft på 11300/g = ungefär 1000 kg. Vi behöver alltså åstadkomma en kraft motsvarande ett ton för att smälta isen.

Om isens temperatur är högre erfordras naturligvis mycket mindre kraft, för temperaturen -1^oC fordras en kraft motsvarande 100 kg.

Den klassiska förklaringen till varför is är halkigt är alltså inte korrekt: trycket från skridskoskenan är knappast tillräckligt för att smälta lite is och ge ett halkigt ytskikt av vattenmolekyler. Se länk 1 och 2 för alternativa förklaringar.

Observera att isen har olika struktur i olika områden. Stukturen i Ih är den normala som tar c:a 10% mer plats än vatten. I området V har isen en annan struktur och betydligt högre densitet. Observera att axeln med densitet till höger avser flytande vatten.

Nyckelord: fasdiagram [7]; vatten/is [46];

1 http://www.nytimes.com/2006/02/21/science/21ice.html?_r=1
2 http://fragelada.fysik.org/bilder/slippery_ice.jpg