Метатеория жидкой воды или ответ Оппоненту. Ч. 4

                Часть 4
            
                Структура жидкой воды. Термодинамика


Окружающая нас вода – это открытая термодинамическая система, то есть такая система, в которой непрерывно происходят процессы тепломассообмена, как внутри неё самой, так и с окружающей средой. Поэтому, подобно музыкальному произведению, которое нельзя понять по одной ноте, термодинамику воды нельзя понять по одной застывшей схеме, приведенной в предыдущей части. Более того, без учета непрерывного тепломассообмена, приведенная схема кажется противоречивой.


В самом деле, КАА утверждает, что тепловое давление возникает благодаря «горячим», несвязанным молекулам воды. Но вот он эти самые молекулы вывел за пределы микроампул в форме пара, расширил их до уровня атмосферного давления, а значит внутри этих самых микроампул избыточного давления быть не должно. Так, скорее всего, рассуждает внимательный читатель, не учитывающий термодинамику.


Но в действительности «холодные», «горячие» и прочие молекулы - это не конкретные, именованные молекулы, а «молекулы-состояние». Как указывалось, каждая молекула воды совершает более 10^12 колебаний в секунду, обмениваясь импульсами с соседями. А это значит, что за секунду каждая молекула успевает побывать и «холодной», и «горячей» и любой другой. Вспомните начала игры в бильярд. Игрок ударяет кием по шару-битку, тот стремительно несётся к треугольной укладке и передаёт ей свой импульс. После чего шары укладки разлетаются в разные стороны, а шар-биток резко замедляет бег, изменяет направление движения или даже останавливается.


Приблизительно такая же картина происходит и в недрах воды.

«Горячая» молекула ударяет по «холодной» молекуле из числа тех, что сформировали наружную оболочку, и «поостыв», сама становится частью этой оболочки. Или, если она была уж очень «горяча», то прорывается внутрь микросферы и наводит там шороху. Другими словами говоря, закон распределения молекул по скоростям остаётся в силе в любой точке объема воды: и внутри микроампул, и снаружи. А сами микроампулы становятся чем-то вроде модератора, который старается задержать внутри себя только среднетемпературные молекулы, а остальные либо пристроить к наружной оболочке, либо отправить в газовую фазу. Поэтому избыточное давление с уходом горячих молекул никуда не девалось, поскольку на каждую выдворенную молекулу микроампула получает точно такую же горячую молекулу, или даже две! И она вынуждена постоянно разгребать эти авгиевы конюшни, но что делать – работа такая!


Поэтому термодинамическая структура воды – это не моментальный снимок, а непрерывное движение, процесс. И в этом жидкая вода сильно отличается от твердого и газообразного состояния, которые устойчивы и могут существовать до тех пор, пока существует Вселенная.  Жидкой воде Природа не дала такого права.


Мы привыкли к тому, что вода является данностью, частью нашей жизни: в кране, в чашке утреннего кофе, в речке, в морях и океанах, в туче, что дождём проливается и образует лужи. Как пелось в одной песенке: «Без воды и ни туды и не сюды».


А ведь это не правда, не данность!


Жидкая вода, как и любая жидкость, является самой мало распространённой формой, фазой состояния вещества во Вселенной. А ещё крайне короткоживущей.


Взглянем на Марс, нашего ближайшего соседа. Сегодня он представляет собой голую каменную пустыню. А ведь всего три миллиарда лет назад у него были и моря, и океаны, и реки. Но случилось так, что плотность атмосферы Марса начала падать. И как только давление на поверхности Марса упало ниже давления тройной точки, все его моря и океаны унеслись в открытый космос в виде пара. Возможно, ему что-то тоже перепало в виде льда. Но не факт. Лёд тоже склонен к испарению, называемого сублимацией. Вспомните (это для старшего поколения), как женщины вешали мокрое бельё на морозе. И она высыхало! А за это ответственность несло уже не низкое давление, а закон распределения молекул по скоростям. Правда, к молекулам твёрдых тел и жидкостей термин «скорость» не очень подходит, но энергия теплового движения, не зависимо от формы движения, оправдывает такую вольность.


Взглянем на рис. «Закон распределения молекул по скоростям (энергиям, температурам) для жидкости». Теперь он отличается от аналогичного рисунка, приведенного в первой части. Тот рисунок отражал поведение льда в кометах, если иметь в виду масштабы большого космоса. Теперь мы рассматриваем то же самое, но в условиях планеты, надёжно укрытой атмосферой. И в этом законе точка сублимации (была обозначена как связи) разделилась на две точки - «плавление» и «кипение». Природа позволила воде не сразу из точки сублимации уйти в космос в виде газа, а задержаться на некоторое время на Земле в виде ЖИДКОСТИ, чтобы сотворить на ней ЖИЗНЬ!
И за это отвечают три фактора: давление, температура и круговорот, который ловит беглянку на полпути в космос и возвращает на нашу грешную Землю.


Так вот возвращаемся к закону распределения молекул по скоростям для жидкостей. Теперь в нём четко прослеживаются два устойчивых состояния:

 - твердое (лёд) при Т< Тпл;

 - газообразное (пар) при Т> Т кип.

А что же тогда находится в промежутке Tпл < T < Tкип?


Наиболее внимательный читатель скажет «жидкая вода», и будет неправ. Этот закон и есть закон распределения молекул по скоростям в жидкой воде, в которой есть и «твёрдое» и «газообразное» состояния. А вот то, что находится в промежутке представляет собой неустойчивый компромисс тепла и холода, существующего благодаря внешним ограничителям в виде газового баллона (пропан) или атмосферы и оболочек микрокапсул (вода). В открытом космосе, где таких ограничителей нет, понятие жидкой воды находится под запретом. И если даже попытаться нарушить этот запрет, и выплеснуть туда некоторое количество воды, то молекулы из области неустойчивого состояния в короткий момент превратятся, кто в газ, а кто в лёд.


Проведем мысленный эксперимент. В законе распределения волшебным способом удалим «холодные» и «горячие» молекулы, оставив обрубышь от Тпл до Ткип. Получится что-то вроде батона с откусанными горбушками. А теперь будем лицезреть новое состояние жидкой воды. Но не тут-то было! Непрерывный процесс обмена импульсами возвращает всё на круге своя. Картину распределения молекул по скоростям не изменит никакая сила! А что это значит? А это значит то, что часть молекул «охладится» до температуры ниже температуры плавления, а часть «нагреется» до температуры выше температуры кипения. И в этом-то вся логика этого закона.

 За счет внутреннего теплообмена до последнего будут оставаться «горячие» молекулы, которые будут пробивать верхний поверхностный слой жидкости, или поверхность льда и будут испаряться. Если ничто их не возвращает назад, то через некоторое время вся вода испаряется! Наверное, многим знакома ситуация, когда оставленная в блюдечке вода через некоторое время уходит в бега. Да какое там блюдечко! Моря и океаны испаряются! И за это несёт ответственность закон распределения молекул по скоростям, который до последнего выжимает энергию остающихся молекул для того, чтобы улетающие молекулы смогли преодолеть энергию связи.


Столь долгое рассуждение нужно было для того, чтобы стало понятно, что приведенная схема структуры жидкой воды ни в коем случае не противоречива. В купе с вышеописанным процессом неравномерного и непрерывного обмена энергией описанная структура жидкой воды заиграла другими красками. И это ещё не всё, поскольку в недрах жидкой воды идут непрерывные термодинамические баталии на уровне микрокапсул. Но об этом «не всё» поговорим в следующей части.


А пока проверим насколько сильно элементы структуры второго уровня – микрокапсулы влияют на термодинамические свойства воды.


Термодинамика воды, безусловно, изучена вдоль и поперёк. И это является одним из козырей официального Оппонента. Проверим, не является ли это проблемой метатеоретической структуры жидкой воды.


При переходе воды из состояния льда в жидкое состояние, и дальнейшем нагреве до температуры кипения, где количество микрокапсул максимально, количество поглощённой ею тепловой энергии определить не трудно. Теплота фазового перехода из твердого в жидкое состояние для воды известно L = 5,99 кДж/моль. При нагреве от 0 до 100 градусов Цельсия одному молю воды будет подведено количество тепловой энергии Q = с*dt = 75,3*100 = 7,53  кДж. Таким образом полное количество тепловой энергии, полученное одним молем воды составит 13,52 Кдж. И это факт, установленный экспериментальным путём. И на этом факте держится здание одноуровневой структуры жидкой воды.


Определим максимальное количество тепла, которое могло бы быть поглощено микроампулами, как самостоятельными термодинамическими субъектами. Для этого рассмотрим второй уровень жидкой воды, как двухкомпонентный газ. Один газ у нас уже есть – это собственно внутренний пар жидкой воды, а второй – это микроампулы, имеющие собственную энергию движения, и движущиеся вместе с молекулами воды газовой фазы, и под действием этих молекул.

Это не совсем правильно, но у нас есть отмазка.

Во-первых, так делал великий Эйнштейн. Ну а, самое главное, мы ищем верхнее значение энергии, а не фактическое. И мы точно понимаем, что у этих микроампул реальная тепловая энергия движения будет не больше той, что мы хотим определить.

Итак, максимальная тепловая энергия одного моля микроампул Q1мах, как идеального газа, при температуре кипения воды Т= 373 градуса Кельвина была бы равна


                Q1мах = R*T = 8,314 * 373 = 3101 Дж,


где R = 8,314 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.

Одному молю идеального газа соответствует 6,02*10^23 молекул (число Авогадро), в нашем случае, микроампул.


Проведенные ранее расчеты показали, что в одном моле воды при температуре 373 градуса Кельвина содержится 1,9*10^18 микроампул, что составляет


                е = 1,9*10^18 / 6,02*10^23 = 3,1*10^(-6) моля.


Тогда энергия е молей микроампул составит


                Qе мах = е* Q1мах = 3,1*10^(-6) * 3101 = 0,01 Дж.


И это в то время, когда суммарная тепловая энергия моля воды составляет 13520 Дж. То есть микроампулы добавляют воде всего 0,01/13520 = 0,00007% тепловой энергии.

Я думаю, что сегодня отсутствуют методы экспериментального определения термодинамических параметров воды с такой точностью. То есть добавленная энергия лежит за гранью возможностей самого точного метода измерения сегодня. Возможно, в далёком будущем такие методы измерения появятся. Хотя вряд ли. Поскольку любая теория тоже имеет свою погрешность и никакой метод измерения её не исправит.


Поэтому официальному Оппоненту не стоит волноваться по этому поводу. Первого структурного уровня вполне достаточно для описания термодинамических свойств воды. Второй структурный уровень фактически не влияет на них, но зато он очень влияет на макроскопическое поведение жидкой воды, к чему абсолютно нечувствительна классическая одноуровневая модель.

                (продолжение следует)