Метатеория жидкой воды или ответ Оппоненту Ч. 3

                Часть 3
                Структура жидкой воды

Прошло достаточное время для того, чтобы желающие могли ознакомиться с приведенными во второй части расчётными данными, полученными на основе анализа процессов и явлений, отражаемых фазовой диаграммой воды. Эти данные будем использовать, в первую очередь, для реконструкции структуры воды.


Спрашивается, а почему бы для этого не воспользоваться микроскопом. Увы, сегодня это невозможно по трём причинам. Во-первых, размер молекулы воды составляет порядка 3*10^(-10) м, а минимальная длина волны видимого света почти в тысячу раз больше, и следовательно волна её «не увидит». Во-вторых, молекулы воды совершают от 10 ^(12) до 10^(14) колебаний в секунду, и, следовательно время экспозиции микроскопа должно быть порядка одной фемтосекунды. И, в-третьих, поскольку нас интересует жидкость, а не отдельная молекула, то даже решив первую и вторую задачи, мы остановимся на третьей, связанной с необходимостью получения объемной картины жидкой воды. Безусловно, в будущем эти задачи будут решены, а пока теоретики «видят» структуру воды ментально, то есть на уровне гипотетического представления о ней.


Так современная молекулярно-кинетическая теория «увидела», что в жидкостях, как и в аморфных телах, нет строгого порядка в расположении частиц, и что они расположены не одинаково однородно. Промежутки между молекулами имеют различные размеры, в том числе и такие, что там может свободно разместиться молекула. Это позволяет им перескакивать из мест с высокой плотностью в места с меньшей плотностью. Такой процесс физики называют самодиффузией.
Понятие самодиффузии отражает основную идею, состоящую в том, что при случайном блуждании отдельные перемещения молекул статистически независимы, как в отношении направления, так и в отношении длины перемещения, а значит каждое последующее движение происходит в направлении, не зависящем от предыдущего.


Другими словами, для описания поведения молекул жидкой воды физики используют чисто статистическую модель в предположении, что вода остаётся жидкой до тех пор, пока средняя тепловая энергия её молекул не превышает энергии их межмолекулярных связей. При этом, они не особенно заботятся о соответствии такой модели реальному физическому процессу. Они так "увидели". Обычно в этом месте можно услышать возражения: «Неправда, расчёты по этой модели соответствуют опытным данным!» Но тот, кто возражает, очень плохо представляет себе, что такое исторически, относительно истинная теория (смотри главу «02. Логика познания физического мира»).


 Вспомним теорию движения светил Клавдия Птолемея (I – II вв. н.э.), которой путешественники и составители календарей руководствовались почти полторы тысячи лет. И, что интересно, путешествующие всегда приходили в намеченную точку, а календари превосходно прогнозировали астрономические явления.

 И потребовался гений и гражданская смелость Николая Коперника, чтобы показать, что теория Птолемея физически ложна. Более подробно с этим можно познакомиться в главах «03, 04. Экскурс в историю физических картин мира».


А суть проста – даже с помощью ложной интерпретации явлений можно получать правильные результаты. Для этого существуют методы интерполяции и вечные спутники таких теорий – экспериментально определяемые коэффициенты и метод анализа размерностей.  А теперь посмотрите предыдущую часть, где рассчитаны искомые параметры воды. Ведь приступая к расчёту у КАА в голове ещё не было никакой теории, были только сомнения в истинности современной молекулярно-кинетической теории жидкости. А результат есть. И что важно – нов и ценен. При желании, КАА мог бы надуть щёки и под эти результаты сочинить из головы молекулярно-кинетическую теорию. Именно так делают современные теоретики. Но это не наш метод. Мы идём другим путём.


 Но возвращаемся к статистической модели самодиффузии. Этому явлению соответствует структура жидкой воды, изображённая на рис. А.
Этой же логике соответствует и представление о поверхностном натяжении, как о термодинамической характеристике поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз: жидкой и газообразной. В поверхностном слое отсутствуют связи молекул с верхнерасположенными молекулами. Этим и определяется, по мнению современных физиков и химиков, различие молекул поверхностного слоя от глубинных молекул.

 
Однако, даже при беглом рассмотрении подобная модель не выдерживает критики.


Во-первых, структурирование жидкости определяет не средняя тепловая энергия молекул, а фактическая! В первой части мы уже говорили о колоколообразном законе распределении молекул по скоростям. В реальной жидкости есть все типы молекул:

- "холодные", энергия теплового движения которых много меньше энергии межмолекулярных связей и которые будут находиться в твердом состоянии;

- "горячие", энергия теплового движения которых много больше энергии межмолекулярных связей и которые будут находиться в газообразном состоянии;

- "средней температуры", - все остальные молекулы, лишенные связей сдвига, для которых кроме колебательной формы теплового движения возможна вращательная форма. Это основная масса молекул, определяющих среднюю тепловую энергию жидкости.


Во-вторых, по-видимому, не нужно доказывать, что в твёрдом состоянии воды (лёд) процесса самодиффузии, как массового явления, не существует. А между тем, плотность упаковки молекул воды в жидком состоянии на 9% выше, чем у льда. Кроме того, данные расчётов показали, что количество молекул, лишённых связей с другими молекулами и готовых диффундировать, при атмосферном давлении составляет от 0,003% при температуре 0 градусов Цельсия, до 0,007% при температуре кипения. Как видим, количество свободных молекул ничтожно. Остальные молекулы сохраняют свои связи. Поэтому говорить о процессе диффузии в такой плотноупакованной «жидкой воде» с сохраненными электронными связями, бессмысленно.


Ну и, в-третьих, главное. Давайте вспомним то, с чего мы начинали.

 Почему жидкой воды не существует при значениях температуры и давления ниже тройной точки (смотри фазовую диаграмму воды в части 1)? Ведь тепловая энергия поглощается льдом, а жидкости нет! Идёт обычный процесс сублимации: твёрдое тело (лёд) превращается в газообразное (водяной пар). Куда девалась пресловутая самодиффузия? Наука молчит.


И потом, почему физики решили, что наличие свободных молекул никак не сказывается на внутреннем давлении, ими создаваемом. Или, они полагают, что свободные молекулы заблокированы связанными молекулами?


Но тогда для наглядности возьмите бутылку закупоренной газированной воды. Желательно минеральной - она менее вредна для здоровья. Теперь поглядите её на просвет. Вы не сможете её отличить от обычной воды. КАА не раз «покупался» на этом и приносил домой из магазина вместо обычной газированную воду. Очевидно, молекулы углекислого газа нашли себе место в недрах жидкой воды. Но стоит откупорить бутылку, и они дружно покидают её. Почему же вы лишаете этого права свободные молекулы воды и заставляете их диффундировать?


Да просто потому, что вы из опыта знаете, что они остаются верны коллективизму, и никуда не деваются. Но это не аргумент! Только что было показано, что если есть свободные, несвязанные и не заключённые в закрытом объеме молекулы, то они непременно покинут его. Поэтому остаётся один аргумент - их что-то удерживает в воде, "закупоривает".

 
И расчёты показали, что проблему внутреннего теплового давления жидкой воды можно решить методом микроампулизации, то есть заключения групп молекул в микрообъемах, образованных «холодными» молекулами воды (рис Б). Напомним, что холодными мы назвали молекулы, кинетическая (тепловая) энергия которых много меньше энергии межмолекулярной связи. Расчёты показали, что при атмосферном давлении предельно большие размеры микроампул (dпр = 2*rпр), могущих выдерживать действующее внутреннее давление меняются от 0,082 мкм при температуре 0 градусов Цельсия, до 0,026 мкм при температуре кипения. При этом количество заключённых в них молекул меняется от 10 до 0,32 миллионов штук.


Но это только первый шаг. Мы должны учесть, что образование внешних оболочек силами поверхностного натяжения возможно, если хотя бы с одной стороны наличествует газовая фаза. В качестве такой газовой (паровой) фазы могут выступать «горячие» молекулы жидкой воды, лишённые межмолекулярных связей. Доля таких молекул, как уже указывалось, ничтожна и составляет от 0,003% при температуре 0 градусов Цельсия, до 0,007% при температуре кипения. Но, как показали расчёты, этого достаточно, чтобы между микроампулами образовался зазор размером в 3,5-2,5 молекулы воды, соответственно.



Теперь становится понятной причина отсутствия до тройной точки жидкой фазы. Напомним параметры тройной точки:

- температура 0,01 градус Цельсия;

- давление 0,006 атмосфер.

 Проблема здесь, конечно же не в помощи, необходимой микроампулам для удержания внутренних молекул. Они и сами достаточно прочны и могут выдерживать давление от 38 до 87 атмосфер. А эти ничтожные 0,006 атмосфер для них погоду не делают. А вот наличие хоть и небольшой положительной температуры объясняет всё! Нужна газовая фаза, нужны горячие молекулы. И пока не образуется их минимально необходимое количество, то нет и минимальных зазоров между микроампулами, и, следовательно, нет самих микроампул!


А как только появляются горячие молекулы в виде газовой фазы, их необходимо защитить от ухода из образовавшегося объема. И здесь в работу вступает хорошо известная внешняя оболочка, и минимально необходимое давление в 0,006 атм. для их сдерживания.
 Образованная таким образом структура показана на рис.Б. Только взгляните на структуру жидкой воды: как здесь всё продумано Природой до мелочей. А ведь вода – основа жизни!

Теперь становится понятным, что в микроампулах молекулы воды спрессованы до предела внешним давлением оболочки и атмосферным давлением. Атмосферное давление свободно проникает в глубину воды за счёт газообразной фазы и равномерно обжимает ампулы со всех сторон.
 

Таким образом в жидкой воде существует давление, равное атмосферному, и которое экспериментатор может измерить. Это давление газовой фазы, передающееся ей через внешнюю оболочку поверхностного натяжения.
 А в основной массе воды давление в зависимости от температуры меняется от 38 до 87 атмосфер. Это давление в микроампулах, которое сдерживает внутренние молекулы со средней температурой от расширения до плотности льда. Если бы это случилось, то молекулы сцепились главными водородными связями, которые требуют большего расстояния между молекулами и образовали структуру льда! Или, если температура была бы высокой, испарились. Это давление экспериментатор измерить в прямом эксперименте не может. Если экспериментатор доберется щупом внутрь микрокапсулы, то она тут же разрушится, и в ней установится атмосферное давление.
 

И обратите внимание, как здесь продуман тепломассообмен. Все проблемы по переносу тепла решает немногочисленная газовая фаза. Внутри ампул массоперенос невозможен. Там теплообмен осуществляется только за счёт передачи теплового импульса от молекулы к молекуле. Это очень долго, если бы это происходило в общей массе, как это случилось бы, если структура воды, не дай Бог, была бы классической. Но в масштабах микроампул это происходит почти мгновенно.


Эта структура объясняет высокую испаряемость воды, поскольку внешняя плёнка из за малой кривизны практически не обладает сколько-нибудь заметной прочностью, а только балансирует между внешним атмосферным давлением и внутренним давлением пара. И как только внутреннее давление повысилось, тут же внутренние молекулы отправляются в путь, за пределы своей малой Родины.


Ну, пожалуй, хватит, а то не останется материала для дальнейшего разговора.

                http://proza.ru/2024/09/13/1611