Jää – kiinteän veden määritelmä, ominaisuudet ja jäätymispiste 0 °C

Jää on jäätyneen veden yleisnimitys. Muitakin nesteitä, kuten ammoniakkia, metaania tai maitoa, voidaan kutsua jäätyessään jääksi, mutta niistä käytetään täsmentäviä nimiä (esimerkiksi “maitojää”), jotta ne erottuvat vesijäästä. Nestemäinen vesi muuttuu kiinteäksi jääksi, kun lämpötila laskee riittävän alas. Jäätymispiste on 0 celsiusastetta (tekstissä mainittu 32 celsiusastetta viittaa Fahrenheit-asteisiin; tarkka arvo on 32 °F) ja noin 273,15 kelviniä normaalipaineessa.

Rakenne ja keskeiset ominaisuudet

Vesijää on useimmiten heksagonista kiderakennetta (ns. jää Ih). Sen tiheys 0 °C:ssa on noin 0,917 g/cm³, mikä on pienempi kuin veden vastaava tiheys, joten jää kelluu. Veden harvinainen ominaisuus on, että se laajenee jähmettyessään: tilavuus kasvaa noin 9 %. Tämä voi rikkoa tiiviit astiat ja halkeiluttaa kiviä toistuvissa jäätymis–sulamisjaksoissa.

Sulamispiste: puhtaalla jäällä noin 0 °C normaalipaineessa; paineen kasvaessa sulamispiste alenee hieman.
Lämmön ominaisuuksia: jään sulattamiseen tarvitaan suuri sulamislämpö (noin 334 kJ/kg), ja jää johtaa lämpöä paremmin kuin vesi, mutta huonommin kuin useimmat Metallit.
Lujuus ja pinta: jää on hauras ja voi olla liukas ohuen, osittain sulaneen pintakerroksen sekä kitkan aiheuttaman lämpenemisen vuoksi.
Optiset ominaisuudet: puhdas jää on lähes läpinäkyvää; valkoinen ulkonäkö johtuu yleensä jäässä olevista ilmakuplista ja halkeamista, jotka sirottavat valoa.

Jäätyminen ja sulaminen

Jää muodostuu, kun veden lämpötila laskee alle jäätymispisteen ja kiteytyminen alkaa. Alkukiteet syntyvät nukleaatiosta, johon epäpuhtaudet ja pienet hiukkaset helpottavat tarttumapinnan tarjoamalla. Vesi voi myös alijäähtyä muutaman asteen alle 0 °C:n ilman, että se heti jähmettyy, kunnes jokin häiriö käynnistää nopean kiteytymisen.

Epäpuhtaudet ja suolat: liuenneet aineet alentavat veden jäätymispistettä. Siksi tiesuola estää jään muodostusta, ja meriveden jäätyminen alkaa vasta noin −1,8 °C:ssa.
Paineen vaikutus: suurempi paine alentaa hieman jään sulamispistettä (regelointi), mikä selittää osaltaan luistimen terän alla tapahtuvaa paikallista sulamista.
Haihtuminen ja härmistyminen: jää voi kadota myös sublimoitumalla suoraan vesihöyryksi; huurre puolestaan syntyy, kun vesihöyry härmistyy kylmälle pinnalle.

Jään valmistus käytännössä

Jäätä valmistetaan yleensä kotijääkaapissa tai pakastimessa. Jos vettä laitetaan pakastimeen ja jätetään hetkeksi, vesi jäähtyy ja jäätyy jähmettymällä, jolloin syntyy jäätä. Vesi voidaan laittaa kupari- (tai muuhun metalli-) astiaan, jolloin se jäätyy jääksi nopeammin. Metallit ovat hyviä lämmönjohtimia, joten vesi voi jäätyä nopeammin kuin muovisessa jääpurkissa.

Kirkas vai samea jää: sameus johtuu pääasiassa liuenneesta ilmasta ja epäpuhtauksista. Kirkkaampaa jäätä saa käyttämällä puhdasta vettä, poistamalla ilmakuplia (esim. keittämällä ja jäähdyttämällä vesi etukäteen) ja jäädyttämällä suunnatusti (ylhäältä alas).
Astiat ja täyttö: jätä laajenemisvaraa, sillä jäätyminen kasvattaa tilavuutta. Älä jäädytä suljettuja pulloja tai ohutseinäisiä lasiastioita, jotka voivat rikkoutua.
Lämpötila ja aika: mitä kylmempi pakastin, sitä nopeammin jäätyminen etenee, mutta liian nopea jäätyminen lisää ilmakuplia ja halkeamia.

Luonnossa esiintyvät jäämuodot

Järvi- ja jokijää: muodostuu makeaan veteen, paksuus ja lujuus vaihtelevat sään, virtauksen ja lumen mukaan.
Merijää: syntyy suolaiseen veteen; sisältää suolavesikanavia ja on karheampaa kuin makean veden jää.
Glasiaalinen jää: satojen vuosien aikana tiivistyneestä lumesta syntynyt jäätikkö- ja vuoristojää; jäätiköistä irtoavat jäävuoret kelluvat meressä.
Lumi, huurre ja räntä: eivät ole sama asia kuin jää, mutta muuttuvat ajan myötä lämpötilan ja paineen vaikutuksesta jään kaltaisiksi kerroksiksi.

Käyttö ja merkitys

Jäähdytys ja säilöntä: juomakuutioista kylmälaatikoihin ja elintarvikkeiden kylmäketjuun.
Terveys ja ensiapu: kylmähoito turvotuksen ja kivun lievittämiseen (lyhyinä jaksoina, ihoa suojaamalla).
Liikunta ja kulttuuri: luistelu, jääkiekko, curling sekä jääveistokset ja talvitapahtumat.
Ympäristö: jään ja lumen suuri heijastavuus (albedo) vaikuttaa maapallon lämpötasapainoon; jääpeitteen muutokset ovat keskeisiä ilmaston tilan indikaattoreita.

Turvallisuus

Tarkista luonnonjään paksuus ja laatu ennen liikkumista; virtapaikat, lumipeite ja lämpötilavaihtelut heikentävät jäätä.
Käytä naskaleita, kelluntapukua tai pelastusliivejä heikoilla jäillä liikuttaessa ja liiku seurassa.
Kotona vältä suljettujen astioiden jäädyttämistä ja varo lämpöshokkia herkillä materiaaleilla.

Jää korissa

Jääkiteitä lasissa

Miten jää muodostuu

Toisin kuin muut nesteet, vesi laajenee jäätyessään ja muuttuu jääksi, joten jää kelluu veden päällä, koska jään tiheys on pienempi kuin veden. Tämä on hyvin epätavallista - lähes kaikki muut nesteet muuttuvat tiheämmiksi jäähtyessään; vesijää on kuitenkin merkittävä poikkeus. Nestemäinen vesi laajenee noin 9 %, kun se muuttuu jääksi - se vie enemmän tilaa. Tämä johtuu siitä, että vesimolekyylit ovat itse asiassa kauempana toisistaan sen sijaan, että ne olisivat lähempänä toisiaan. Jääkiteen molekyylit ovat järjestäytyneet siten, että sen tiheys on pienempi kuin nestemäisen veden.

Jos vesi jäätyy vesijohtoverkostossa, vesiputki voi murtua. Lasipulloissa oleva vesi voi saada ne räjähtämään jäätyessään. Kallion halkeamiin jäätyvä vesi voi laajentua niin paljon, että se voi halkaista kovia kiviä; tämä on tärkeä geologinen säätilaprosessi, joka voi kuluttaa vuoria ja tehdä kivestä maaperää.

Kun materiaaleja jäähdytetään, niiden molekyylit värähtelevät vähemmän ja tiivistyvät yhteen. Kun useimmat materiaalit saavuttavat lämpötilan, jota kutsutaan jäätymispisteeksi, molekyylit muodostavat kiteisen kiinteän aineen, vaikka jotkin materiaalit (kuten lasi ja terva) eivät kiteydy lainkaan vaan muodostavat erittäin jäykkiä nesteitä, jotka näyttävät kiinteiltä. Ainoastaan helium ei jäädy; kaikki muut aineet jäätyvät, jos ne ovat tarpeeksi kylmiä, mutta nesteet, kuten ruokaöljy, pakkasneste, bensiini, typpi jne. jäätyvät lämpötiloissa, joita useimmat ihmiset eivät tunne.

Suolavesi

Suolaisen veden jäätyminen edellyttää alhaisempaa lämpötilaa kuin puhtaan veden. Syntyvä jää sisältää paljon vähemmän suolaa kuin suolavesi, josta se on peräisin. Tätä tosiasiaa on joskus hyödynnetty suolanpoistossa. Suolainen jää ei ole yhtä vahvaa kuin jäätynyt puhdas vesi. Vastaavasti suolan levittäminen jään päälle sulattaa sen, jos se ei ole liian kylmää: suola syö vähitellen jäätä muodostaen suolavettä, joka ei jäädy kyseisessä lämpötilassa.

Jään maantieteelliset sijainnit

Koska jää kelluu, jäätyvät suuretkin vesistöt, kuten jotkin valtameret, muodostavat jäätä vain pinnalle. Useimmat järvet eivät koskaan jäädy pohjaan asti. Jopa kylmimmät valtameret, kuten Jäämeri, jäätyvät vain päältäpäin, jolloin nestemäinen valtameri kiertää alhaalla. Tämän vuoksi maapallon valtameret pystyvät jakamaan lämpöä uudelleen, ja maapallon ilmastossa on vähemmän lämmön ja kylmyyden ääri-ilmiöitä kuin muutoin. Jos jää uppoaisi kellumisen sijasta, valtameret täyttyisivät alhaaltapäin jäällä, pysyisivät kiinteinä ja vain osa yläosasta sulaisi. Kiinteä valtameri ei kierrättäisi lämpöä. Mutta koska jää kelluu pinnalla, sen alapuolella oleva vesi voi edelleen kiertää, ja pinnalla oleva jää pysyy alttiina ja sulaa helposti, kun lämpötila nousee.

Suuria maalla olevia jäämassoja kutsutaan jäätiköiksi. Etelämantereella on suurin osa maailman jäästä.

Jääkaudet

Ilmastonmuutosta tapahtuu koko ajan. Kun on hyvin kylmä, sitä kutsutaan jääkaudeksi. Jääkausien aikana hyvin suuret alueet maapallolla ovat jään, lumen ja jäätiköiden peitossa. Jääkausien syyt ovat monimutkaisia eli niitä on vaikea ymmärtää. Ilmaston lämpeneminen vaikuttaa tällä hetkellä maapallon jäävarantoihin, ja myös sen syyt ovat hyvin monimutkaisia.

Kuivajää

On olemassa myös "kuivajäätä", joka on jäädytettyä hiilidioksidia. Kuivajäästä vapautuu tavallisessa ilmassa hiilidioksidikaasua, joka on hajutonta ja väritöntä. Kaasu on niin kylmää, että sekoittuessaan ilmaan se jäähdyttää ilmassa olevan vesihöyryn sumuksi, joka näyttää paksulta valkoiselta savulta. Sitä käytetään usein teatterissa tekosumun tai savun tuottamiseen.

Kuivajää veteen laitettuna

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä on jää?

V: Jää on jäätyneen veden yleisnimitys.

K: Voiko muita nesteitä kutsua jääksi?

V: Kyllä, muitakin nesteitä, kuten ammoniakkia tai metaania tai maitoa, voidaan kutsua jääksi, kun ne jäätyvät, mutta niitä kutsutaan yleensä niiden erityisnimillä, kuten "maitojää".

K: Milloin nestemäinen vesi muuttuu kiinteäksi jääksi?

V: Nestemäinen vesi muuttuu kiinteäksi jääksi, kun se on hyvin kylmää ja sen lämpötila saavuttaa jäätymispisteen 0 °C.

K: Miten jäätä valmistetaan kotona?

V: Jäätä valmistetaan yleensä kodin jääkaapissa tai pakastimessa. Jos vesi laitetaan pakastimeen ja jätetään hetkeksi, vesi jää hyvin kylmäksi ja jäätyy kiinteäksi, jolloin syntyy jäätä.

K: Vaikuttaako astian materiaali siihen, kuinka nopeasti vesi jäätyy jääksi?

V: Kyllä, vettä voidaan laittaa kupari- (tai muuhun metalli-) astiaan, jolloin se jäätyy jääksi nopeammin. Metallit johtavat hyvin lämpöä, joten vesi voi jäätyä nopeammin kuin muovisessa jääpalakannussa.

K: Mikä on veden jäätymispiste?

V: Veden jäätymispiste on 0 °C (32 °F tai 273 K).

K: Miksi joillakin nesteillä on eri nimet jäätyessään?

V: Joillakin nesteillä on jäätyessään erilaisia nimiä, kuten "maitojää", koska niihin on yleensä sekoitettu muita ainesosia, jotka vaikuttavat niiden ominaisuuksiin jäätyessään.