Метатеория жидкой воды, или ответ Оппоненту. Ч. 9

                Метатеория жидкой воды,
                или ответ Оппоненту.


                Часть 9. О кластерах замолвите слово



Предыдущая часть не прошла мимо внимания Оппонента, особенно та её часть, которая утверждала, что пар воды может содержать не только одиночные молекулы, но и кластеры из n молекул воды: n*(H2O), где n = (2…18). Заключение Оппонента последовало немедленно:

«измерение плотности пара говорят, что молекулярная масса воды - 18, и это означает, что пар состоит из одиночных молекул, хоть тресни».

КАА полагал, и пытался доказать, что коль скоро связи между молекулами в кластере не ковалентные, а слабые, водородные, то их молекулярная масса не может быть более 18. Но надо отдать должное Оппоненту: он стоял на своём. И до КАА дошло, что связи между молекулами могут быть хоть какие, пусть даже любовные, но если они физически собрались вместе, то плотность пара будет больше, и от этого никуда не уйдёшь. А это значит, что исследованию кластеров надо уделить больше внимания. То есть надо рассмотреть влияние температуры и давления на структуру реального пара воды.

То, что кластеры существуют даже в газообразном состоянии воды, нет ни тени сомнения. Достаточно взглянуть на рис.1 «Облака» и рис.2 «Туман над озером», где наглядно видно, что и облака, и туман, суть испарения воды, содержат структуры, рассеивающие видимый свет. А это значит, что размер элементов этих структур должен быт не менее длины волны света, то есть не менее половины микрометра.  Следовательно, пар содержит капли, каждая из которых состоит из секстиллиона молекул воды (10^21).

В то же время, каждому известно, что и облака, и туман могут «беспричинно» появляться и исчезать. Очевидно, что капли не могут мгновенно распасться на одиночные молекулы: должна существовать какая-то последовательность сборки и разборки капельных структур, и, следовательно, должны существовать промежуточные равновесные структуры, которые и являются кластерами. Но это лирическое доказательство. А Оппоненту необходимо представить физические доказательства, подобно тем, которые привёл он, чтобы в конце можно было бы поставить жирную точку.

И такие доказательства КАА нашёл!

Каждый физик, каждый химик хорошо знает, что удельная теплота парообразования воды уменьшается с ростом температуры кипения, что, как известно, происходит при изменении (увеличении) атмосферного давления. И это понятно: чем выше температура, тем более подготовлены молекулы воды к испарению.

Но вряд ли каждый физик и каждый химик задавался вопросом, а что будет, если к удельной теплоте парообразования прибавить «подготовительную» теплоту, то есть ту, которую необходимо подвести к воде для её нагрева от температуры плавления до температуры кипения?  Физически эта сумма будет представлять собой тепловую энергию, необходимую для превращения растаявшего льда в пар.

Если пар действительно состоит из одиночных молекул, то величина подводимой тепловой энергии должна быть одинаковой, независимо от атмосферного давления и соответствующей ему температуры кипения воды, поскольку начальное и конечное состояния воды одинаково.

Но опыт и расчёт показывают, что это не так!

На рис.3 приведены результаты расчёта в форме графика зависимости искомой тепловой энергии от атмосферного давления и температуры кипения в диапазоне изменения давлений (0,02 … 1,0) атм., и соответствующих им температур (17,5 … 100) градусов Цельсия.  Что характерно, график этой зависимости асимптотически стремится к некоторому постоянному значению энергии.

Но вот при низких температурах кипения значения тепловой энергии оказывается существенно меньше, чем при высоких. Если необходимую энергию превращения холодной воды в пар при 100 градусах принять за 100%, то при температуре 17,5 градусов она составит 94,7%. А это означает, что конечные условия парообразования для воды при разных температурах кипения не одинаковы.

Если предположить, что при температуре кипения воды 100 градусов пар содержит только одиночные молекулы, как на том настаивает Оппонент, то это означает, что в результате парообразования разорвано 100% межмолекулярных связей. И, соответственно, при температуре 17,5 градусов разорвано только 94,7% связей. А следовательно такой пар содержит кластеры, хоть тресни:).

Какие образуются кластеры, конкретно, приведенные расчёты определить не позволяют. Но если предположить, что оставшиеся связи образуют кластеры, например, из двух молекул, то это значит, что более 10% молекул являются связаны в кластеры.

Но для нас в большей степени интересует образование кластеров при нормальном атмосферном давлении. Если охлаждение пара осуществить до рассмотренных выше температур, но нормальном атмосферном давлении, то картина в пользу множественности кластеров в силу большей в 50 раз плотности пара сместится значительно. И тем более множественность кластеров будет характерна для жидкой воды, где энергия межмолекулярных связей остаётся много большей, чем подведенная тепловая энергия.

Но, вместе с тем, кластерные структуры жидкой воды существенно меняет представления о механизме образования структур второго уровня – микросфер. Этот и другие вопросы рассмотрим в следующей части метатеории.

                (Продолжение следует)