Часть 1. Суть вопроса
— Так они называли меня жёлтой рыбой?
— Да! Да! И ещё червяком! Земляным червяком!
Р. Киплинг "Маугли"
Автор, КАА, не собирался заниматься вынесенным в заголовок вопросом, поскольку тот находился далеко в стороне от его основных интересов. Но его вынудили к этому, обозвав, в переводе на язык «Книги джунглей», земляным червяком…
Давным-давно, 60 лет назад, будучи учеником 6 класса КАА писал контрольную работу по математике. В его классе общепризнанным авторитетом и лидером по успеваемости был ученик Антонов, у которого другие ученики списывали решения трудных задач. В этот раз один из учеников (Федотов) списывал не у Антонова, а у КАА.
На перемене все бросились сравнивать результаты, и обнаружили, что у всех решения такие же, как и у Антонова, кроме КАА и Федотова. Федотов расстроился: «Эх, не у того списывал!»
На следующий день были объявлены результаты контрольной: все получили двойки, кроме Федотова и КАА. Федотов получил тройку за то, что: «Знал, у кого надо списывать». Он был на небесах от счастья!
И вот 60 лет спустя ситуация повторяется, но уже на существенно более высоком уровне. Теперь КАА оппонирует вся официальная физическая рать в лице Оппонента, считающего, что не опыт, а авторитет, теперь уже не Антонова, а Эйнштейна, является достаточным основанием для установления истины.
Перейдём к сути вопроса.
На основании анализа диаграммы фазового состояния (рис.1) и известных макроскопических проявлений воды в виде:
- броуновского движения;
- падения вязкости с ростом температуры:
- пузырькового механизма кипения;
- существования влажного пара;
- существования парадокса Мпембы - эффекта, состоящего в том, что горячая
вода может замерзать быстрее, чем холодная,
и ряда других, КАА пришёл к выводу, что структура воды не может носить одноуровневого характера, элементом которой является молекула. Перечисленные явления не вяжутся с классическими представлениями о структуре воды. Как минимум, должен существовать второй структурный уровень, элементом которого является объединение большого количества молекул.
Об этом КАА в разговоре так, между прочим, сообщил Оппоненту, и, по-видимому, наступил ему на больной мозоль. Вердикт Оппонента был категоричен:
«Фактически, это равнозначно утверждению, что в уравнениях теории Эйнштейна - Смолуховского содержится математическая ошибка. Я ее не вижу, как не видят ее и физики, специалисты в статистической механике. Вы же, в отличие от меня, математик - ну, так найдите эту ошибку. Иначе ваши аргументы вырождаются в заявления "этого не может быть, потому что не может быть никогда"»...
Ну что же, вызов принят! Тем более, что это отвечает интересам работы, поскольку в главе «02. Логика познания физического мира» автор рассказал о необходимости выстраивания теорий с опорой на опыт. А тут представилась возможность показать это не на словах, а на деле. Итак, вперёд!
Начинаем рассуждать, опираясь на опытные данные Природы, а не на авторитеты, пусть и самых достойнейших умов человечества.
Пусть кинетическая энергия теплового движения молекул воды равна Ек, а энергия межмолекулярной (водородной) связи двух молекул равна Есв. Очевидно, что если 2Ек > Есв, то после соударения двух молекул друг о друга, они разбегутся, а если 2Ек < Есв, то молекулы сцепятся и будут представлять единое целое.
Применительно к массиву из n молекул рассмотренные условия трансформируются к виду nЕк > (n-1)Есв, nЕк < (n-1)Есв, а для очень большого n, Ек > Есв, Ек < Есв , соответственно, и означают, что в первом случае мы имеем газообразное состояние воды (пар), а во втором - твёрдое состояние (лёд). И никаких других вариантов при отсутствии третьей силы, нет и быть не может.
Проверим истинность приведенных рассуждений по фазовой диаграмме воды (рис.1). На ней находим, что при внешнем давлении р = 0, возможны только два фазовых состояния: твёрдое (лёд) и газообразное (пар).
А вот за тройной точкой, при давлении р >= 0,006 атм и при
температуре t >= 0,01 градусов Цельсия (>= обозначает больше или равно) появляется область жидкого состояния воды. Это значит, что при внешнем давлении менее 0,006 атмосфер, что в условиях Земли реализуется на высотах более 35 км, жидкой воды обнаружить невозможно. Она может быть представлена только льдом, а в сильно разряженной среде, где межмолекулярные связи не играют большой роли, - газом.
Ура! Мы обнаружили, что условием существования жидкой фазы воды является наличие внешнего давления р >= 0,006 атм.!
Однако, подойдя к критической точке фазовой диаграммы (р = 218 атм., t =374 градуса Цельсия) обнаруживаем, что за этой точкой (t >= 374 градуса Цельсия) окно возможностей закрывается и начинается область, где жидкого состояния воды вы не найдёте уже ни при каком давлении. Вода существует только в газообразном состоянии. Правда физики люди ушлые, и называют это состояние сверхкритической жидкостью. Но в таком случае Солнце надо называть не газовым гигантом, а гигантом из сверхкритической жидкости. Ребята, выбирайте что-либо одно, будьте последовательны!
Итак, оказывается, что наличие давления необходимое, но недостаточное условие. Надо что-то ещё. И это «что-то» найти не сложно. Мы прекрасно осведомлены, что любой объем жидкой воды, от самой маленькой капельки в облаках и до огромного Мирового океана, имеет внешнюю оболочку - поверхностный слой, образованный силами межмолекулярного взаимодействия, которые на макроуровне называются силами поверхностного натяжения, и для которого всегда выполняется условие Ек < Есв. То есть по нашей классификации эта оболочка в один молекулярный слой является «твёрдой». Как так получается, что часть структуры воды становится твёрдой, а часть - нет?
Это не сложно понять, зная о существовании закона распределения молекул по скоростям (рис.2). Этот закон представляет собой колоколообразную кривую, показывающую, что при тепловом равновесии и одинаковой температуре, скорости и энергии молекул имеют разные, случайные значения. Причем, чем больше температура, тем больше разброс их значений. Поэтому для любого значения температуры всегда найдётся некоторое количество молекул, скорость которых, и, соответственно, кинетическая энергия всегда меньше энергии межмолекулярной связи. Будем называть такие молекулы «холодными».
Возвращаемся к силам поверхностного натяжения. Так вот, примечателен факт, что если при температуре 20 градусов Цельсия силы поверхностного натяжения равны 0,073 н/м, то в критической точке они становятся равными нулю. А это значит, что количество «холодных» молекул становится недостаточным для образования внешних оболочек. Следовательно, удержать освобождённые от заключения молекулы больше некому и поэтому за температурой выше критической вода может находиться только в газообразном состоянии при сколь угодно высоком внешнем давлении. Внешняя оболочка является средством превращения атмосферного давления в силу направленного сжатия изолированной части пространства. Выше критической точки такого средства нет, а простое повышение давления никак не сказывается на сжатии молекул воды. То есть короля (жидкую воду) делают водородные связи, которые мы называем силами поверхностного натяжения.
Чтобы усилить аргументацию и дать пищу для размышлений представим себе ситуацию, в которой молекулы воды лишились межмолекулярных связей и превратились в идеальный газ, но при этом сохранили плотность упаковки. При нормальных условиях один моль такого газа должен занимать объем 22,4 литра. А мы его упаковали в объеме плотности воды, где один моль занимает объем всего 18 мл, то есть в 1,24 тысяч раз меньше. Следовательно, при сохранении плотности воды, такой газ надо заключить в закрытую ёмкость и приложить внешнее давление в 1,24 тысяч атмосфер!
Но не будем столь кровожадными, и вернёмся к реалиям, в которых для превращения льда в воду надо подвести тепловую энергию в количестве 5,99 кДж/моль. Это много, но явно меньше того, что требуется для превращения льда в газ.
Спрашивается, а на что пошла эта энергия? Ответ прост: на разрушение части межмолекулярных связей.
А что происходит при разрушении таких связей? Ответ не менее прост: при отсутствии препятствия в виде ограничивающей оболочки, "горячие" молекулы покинули бы лёд, сублимировали бы, подобно тому, как это делают молекулы льда углекислоты. А вот при наличии препятствия и сохранении объема будет расти внутреннее тепловое давление!
Но мы знаем, что никакого внутреннего давления в воде нет! Кроме гидростатического. Куда оно тогда девается?
Ответ дают силы поверхностного натяжения. Они образуют множество сферических микрокапсул, которые заключают в себе классическую структуру воды, и вместе с внешним атмосферным давлением удерживают её от сублимации.
Определим, какая доля молекул z = n1/(n1+n2) необходима для образования внешней оболочки микрокапсулы, где n1 - количество молекул, пошедшее на образование оболочки; n2 - количество молекул, заполняющих внутренний объем этой оболочки.
Итак, рассматриваем каплю воды в виде шара радиуса r, обладающим объёмом v = 4/3*Пи* r^3 и площадью наружной поверхности s = 4*Пи*r^2.
Перейдём теперь к измерению радиуса капли не в метрах, а в «попугаях», в качестве которых у нас будут выступать молекулы воды, размером b = 3*10^(-10)м. Тогда радиус капли воды в «попугаях» будет равен Rb = r / b. В этом случае на образование поверхности капли уйдёт n1 = 4*Пи*Rb^2 молекул воды, которая будет полностью заполнена n2 = 4/3*Пи* Rb^3 количеством молекул воды. Тогда доля молекул, пошедших на образование внешней оболочки, будет равна:
z = 1 / (1 + Rb/3) (1)
Нетрудно заметить важную особенность: с уменьшением размера капли, доля молекул, идущих на образование оболочки увеличивается, и, соответственно, для единицы объема воды увеличивается суммарная поверхность капель!
Это обстоятельство заставляет другими глазами взглянуть на фазовую диаграмму воды. Линия, соединяющая тройную и критическую точки, на которой происходит переход воды из жидкого состояния в газообразное с ростом температуры, и из газообразного в жидкое состояние при понижении температуры, представляет собой совокупность точек, в которых происходит нарушение условия прочности внешней оболочки воды. А вот вопросы прочности - это как раз из области профессиональных интересов КАА, чем и воспользуемся.
http://proza.ru/2024/08/25/1134