Метатеория жидкой воды, или ответ Оппоненту Ч. 10

                Метатеория жидкой воды,
                или ответ Оппоненту.


                Часть 10. Структурирование и реструктуризация воды
                по схеме «пар - жидкость»



Вода – это основа жизни на планете Земля. Мы об этом говорили не раз. Но помимо рассмотренных животворящих свойств воды, есть ещё одно важное свойство, без которого бы жизнь не состоялась.


Речь идёт о круговороте воды в Природе. Круговороты воды, как и круговороты прочих органических и неорганических веществ, представляют собой последовательность их превращений и перемещений, в результате чего реализуется транспортная функция, обеспечивающая доставку жизненно необходимых веществ непосредственно до каждого биологического потребителя в форме, доступной для потребления.


Что касается круговорота воды, то он состоит из испарения воды с поверхностей мировых океанов, рек и озёр путём превращения жидкости в пар; вертикального и последующего горизонтального перемещения паров воды с воздушными массами в континентальные области; их конденсация путём превращения пара в жидкость и выпадения жидкости в виде осадков. В круговороте воды большая роль принадлежит ручьям, малым и большим рекам, которые возвращают жидкую воду в мировые океаны.
 

Главную роль в круговороте воды выполняют процессы её структурирования и реструктуризации, знания о которых сегодня ограничиваются терминами «испарение - конденсация».  Поэтому мы не будем повторять прижившиеся банальности, а поговорим о принципиально новых вещах. Для оживления изложения материала мы его построим в форме вопросов и ответов.


                1. Почему пары воды поднимаются высоко над поверхностью земли?


Ответ на этот вопрос хорошо известен. Вертикальное движение паров воды определяется суммой действия двух механизмов. Первый механизм - это механизм гравитационной дифференциации. В силу того, что молекулярная масса воды (18 г/моль) ниже молекулярной массы воздуха (29 г/моль), плотность водяного пара оказывается ниже плотности воздуха, и, следовательно, Архимедова сила его выталкивают наружу.
Второй механизм - это непрерывное конвективное вертикальное движение воздушных масс, опять же под действием Архимедовы силы, но в следствие разности температур на поверхности Земли и на высоте.

Второй механизм эффективнее первого в тысячу раз. Поэтому первый механизм обычно при рассмотрении испарения паров воды не учитывается.
Но он становится определяющим на высотах, где конвекция и турбулентное перемещение масс практически отсутствует. Устойчиво это происходит на высотах более 80 км. Но пренебрегать этим механизмом нельзя и на более низких высотах, поскольку это вечный механизм, и сколько бы воздушные потоки не перемешивали газы, их разделение по высоте происходит постоянно. Так на высотах от 80 до 200 км преобладающим газом атмосферы становится азот. А после 200 км - кислород, но только потому, что с некоторой высоты под действием космических лучей он становится атомарным, и, следовательно, имеет молекулярную массу 16 г/моль. И значит, где-то здесь должно быть место паров воды. Но нет, выше верхней границы тропосферы, на высотах более 18 км водяного пара нет в принципе.
 


     2. Почему водяной пар не поднимается выше верхней границы тропосферы, высот порядка 18 км, и не улетает в космос, как это делает, например, гелий?
 

Вот как на этот вопрос языком официальной науки отвечает интернет:

«Холодный воздух не может содержать столько водяного пара, сколько тёплый, поэтому часть пара превращается в капли воды — происходит конденсация.»

Да, конденсация и вымораживание паров воды, безусловно, делают своё дело, и их содержание в атмосфере уменьшается на порядок. Но это совсем не отменяет механизма гравитационной дифференциации. Поэтому этот ответ правильный по существу, является неправильным в качестве ответа на заданный вопрос: почему в принципе нет водяного пара на больших высотах?


 А ответ на этот вопрос предельно прост: если пары воды не могут подняться выше некоторой высоты, то это значит, что начиная с этой высоты молекулярная масса паров воды становится выше молекулярной массы воздуха, то есть более 29 г/моль, и Архимедова сила перестаёт её двигать вверх.  И тут, как говорит наш незабвенный Оппонент: хоть тресни:), но без кластеров нам ну никак не обойтись! Так, если образовываются кластеры из пары молекул, то молекулярная масса пара воды станет равной 36 грамм/моль, что вполне достаточно, чтобы остановить перемещение паров воды вверх.



 Поскольку ответ на этот вопрос принципиально важен для нас, то рассмотрим логику образования кластеров (рис.1). И  подчеркнём, что приводимая логика – это не гипотезы, а факты, выводимые из анализа явлений Природы.


В первой части метатеории был приведен вид кривой распределения молекул по кинетической энергии (скоростям). Вот что тогда было сказано по этому поводу: «Этот закон представляет собой колоколообразную кривую, показывающую, что при тепловом равновесии и одинаковой температуре, скорости и энергии молекул имеют разные, случайные значения».


Надо признаться, что в то время и КАА был убеждён, что любое вещество в газообразном состоянии представлено одиночными молекулами, которые двигаются со скоростями согласно закону распределения. И надо отдать должное оппоненту, что его упертость помогла КАА переосмыслить это положение, и он понял, что подобные законы могут быть справедливы только для идеального газа, состоящего из невзаимодействующих частиц.  Мы же имеем дело с молекулами воды, имеющими высокий дипольный момент, которые подобно магнитиками при любом удобном случае притягиваются друг к другу.

 
Пусть энергия связи молекул воды равна Есв. Тогда будет справедливо следующее утверждение:

две молекулы со средней энергией Е2 при фронтальном столкновении будут образовывать двухмолекулярный кластер, если 2 * Е2 < Есв, и, напротив, разлетятся в стороны, если 2 * Е2 > Есв.

Обратим внимание, что энергия и импульс молекул при образовании кластера сохраняются, но большая их часть останется внутри кластера в виде колебательных движений, а энергия и импульс самого кластера, как самостоятельного объекта, будут значительно меньше соответствующих параметров отдельных молекул.


Далее, чтобы не утомлять читателя рассуждениями, введём без доказательств следующие утверждения:

- могут существовать такие средние значения энергий молекул из закона распределения, что при их энергии Е3 могут образоваться кластеры из трёх молекул;
 
- могут существовать такие средние значения энергий молекул из закона распределения, что при их энергии Е4 могут образовываться кластеры из четырёх молекул;

-  и так далее. Крайним в этом ряду применительно к водяному пару будут сотообразные кластеры – гексагоны, которые образуются из молекул с энергией Егекс.

Причем, энергиям молекул, отвечающих за образование кластеров соответствующей формы, соответствует следующая закономерность:


                Е2 > E3 > E4 > … > Eгекс.
 

После того, как это условие озвучено, поясним, что отмеченная закономерность связана с формами продольных колебаний кластеров. Кластеры аккумулируют основную часть энергии молекул в форме гармонических колебаний, и чем большее количество молекул входит в кластер, тем большее разрывное усилие возникает в узле по первой форме колебаний. Первая форма колебаний – эта такая форма колебаний, когда относительно узла (центра кластера) молекулы справа движутся вправо, а молекулы слева – влево. Это подобно соревнованию по перетягиванию каната. Одна команда тянет канат в одну сторону, а другая – в другую. Только в нашем случае «канат» имеет конечную прочность, и чтобы его разорвать нужно много слабаков, или мало силачей.


Таким образом, закон распределения молекул по скоростям для идеального газа, применительно к водяному пару трансформируется в закон распределения кластеров по форме и числу молекул. Эти утверждения абсолютные, не могущие быть опровергнуты. Есть только одно «но». В связи с непрерывным обменом импульсами между молекулами с частотой порядка 10^12 раз в секунду, эти кластеры непрерывно меняют участников. То есть кластеры – это не статически, а динамически устойчивые структуры.


                ДОБАВЛЕНИЕ после выпуска работы.

В связи с дебатами, возникшими с Оппонентом, по вопросу кластерной природы паров воды необходимо пояснить следующее.

Начало образование кластеров имеет статистическую, случайную природу, что связано с необходимостью охлаждения паров воды до температуры, соответствующей появлению молекул с кинетической энергией Е2. Это факт не менее истинен, чем факт, что 2х2=4, и обсуждению не подлежит.

Но образование кластеров возможно и при более высокой температуре, когда энергия молекул вдвое выше только что рассмотренной, то есть равна (2* Е2)! Такое будет происходить, если энергичная молекула встретится с крупной гидрофильной частицей, энергия движения которой по сравнению с молекулой равна нулю. В этом случае по прежнему будет выполняться условие 2* Е2 < Есв.

И как показывает жизнь, именно такие объекты и являются затравкой для начала образования кластеров. И называются они центром конденсации. Но это совсем не значит, что без таких вот центров жизнь остановилась. Нет. Просто температура точки росы существенно упала бы. А если точнее, то упала бы в 1,41 (корень из двух) раз.

Например, если при заданной влажности воздуха и наличии центров конденсации точка росы составляет 15 градусов Цельсия, или 273 + 15 = 288 градусов Кельвина, то при отсутствие таких центров точка росы проявится при температуре 203 градуса Кельвина, или, 203 – 273 = - 70 градусов Цельсия.
Это круто: +15 и -70! От такого соотношения температур и в самом деле поверишь, что без центров конденсации ну просто никуда! А это всего лишь значит, что центров конденсации в виде пыли у нас на Земле более, чем достаточно.




         3. Каким образом водяной пар превращается в водяные капли?


Для современного естествознания этот процесс, называемый термином «конденсация», представляется в виде некоторого абстрактного одноступенчатого акта, в котором молекулярный хаос водяного пара превращается в хаос расположения и взаимодействия молекул в жидкой воде.


 До некоторой поры КАА тоже так полагал. Но последовательный анализ межмолекулярных процессов, могущих происходить при понижении температуры показал, что жидкая вода – это не структура молекулярного хаоса с плотной упаковкой. Жидкая вода – это порядок гармонически уравновешенной структуры.
 

Для того, чтобы это понять, прикинем, какая доля межмолекулярных связей сохраняется в жидкой воде на момент её закипания при 100 градусах Цельсия. Будем считать, что в твердом состоянии задействовано 100% межмолекулярных связей. При нагреве происходит либо их ослабление, либо разрушение, что сути дела не меняет.
Удельная теплота плавления льда (здесь и далее округлённо) равна 6 кДж/моль. При нагреве от 0 до 100 градусов вода поглощает еще 7,5 кДж/моль. И, наконец, удельная теплота парообразования составляет 40 кДж/моль. Сумма подведенного тепла для превращения льда в пар составляет 53,5 кДж/моль. Причём на момент закипания вода поглотит всего 6 + 7,5 = 13,5 кДж. То есть доля разрушенных (ослабленных) связей в момент кипения воды составляет 13,5/53,5 = 25%. А, следовательно, сплошность воды обеспечивают 75% межмолекулярных связей.


А теперь рассмотрим хаос пара, в котором всё подчиняется воле случая.  Для того, чтобы две молекулы соединились между собой надо, чтобы при столкновении их минусовой и плюсовой полюса были направлены друг на друга. Упростим решение до полусфер. На одной полусфере плюс, а на другой – минус. Тогда вероятность того, что нужная полусфера направлена на другую молекулу равна 50%. А для стыковки необходимо, чтобы обе молекулы повернулись как надо. Вероятность такого события равна 25%. Это очень упрощенный анализ. То есть в состоянии хаоса при случайных соударениях могут быть задействованы не более 25% связей молекул, что, очевидно, недостаточно для обеспечения связанности молекул в жидкость!
 

Переход от хаоса к порядку будем называть процессом гармонизации структуры. На рис.2 показаны этапы этого процесса.
 

Состояние абсолютного хаоса отражает одномолекулярный газ, позиция 1.


Первый шаг в направлении гармонизации делают кластеры, представляющие собой линейные осцилляторы. Как это происходит, мы уже рассмотрели. Напомним, что с понижением температуры увеличивается доля «тяжёлых» кластеров. Причём, основная часть энергии и импульса свободных молекул превращается в гармонические колебания, и только их малая часть передаётся кластерам, как самостоятельным элементам структуры. То есть энергия и импульс кластеров уменьшается, и тем больше, чем больше масса кластера.
 
И ещё одно важное наблюдение: у молекул в линейных кластерах задействуются только две продольные связи. А две поперечные связи остаются свободными. Следовательно, в кластерах не может быть задействовано более 50% связей молекул воды, и, следовательно, из них не может получиться жидкая вода, они продолжают оставаться паром, кластерным паром (позиция 2).


По мере понижения температуры до значений, которые называют точкой росы, доля тяжёлых, малоподвижных кластеров увеличивается, в результате чего в работу начинают включаться поперечные связи. В отличии от продольных связей они являются мерцающими, то есть кратковременно работающими при сдвиговых колебаниях кластеров относительно друг друга. Но, тем не менее, этих слабых связей становится достаточно для того, чтобы образовалась аморфная сфероподобная структура, которая называется глобулой (позиция 3). Эта структура является крайне неустойчивой формой жидкой воды. При малейшем увеличении температуры она распадается на несвязанные кластеры (позиция 2).


Но при постоянной или понижающейся температуре слабые поперечные связи между осциллирующими кластерами приводят к хорошо известному эффекту: фазовой синхронизации осцилляторов.


Классический пример такой синхронизации – это независимые метрономы, на гибком основании. Если метрономы, установленные на гибкой пластине, закрепленной по краям, изначально находятся в разных фазах колебаний, то спустя некоторое время они начнут колебаться синхронно, в такт. Желающие могут познакомиться с этим явлением, посмотрев короткое видео в интернете, задав вопрос: «Синхронизация метрономов».


Но в отличии от метрономов, величина упругой слабой связи между которыми не меняется, у синхронизированных по фазе кластеров поперечные связи начинают увеличиваться за счёт их синфазных колебаний. Изначально мерцающие поперечные связи становятся квазипостоянными. Они, конечно, слабее, чем продольные связи, но, тем не менее достаточны, чтобы превратить аморфную структуру глобулы в монолитную структуру трёхмерного гармонического осциллятора (позиция 4). Основная форма колебаний такого осциллятора – радиальные колебания. Если глобула достаточно большая, то на ней может образоваться несколько несвязанных между собой трёхмерных осцилляторов, на которые наложены основные радиальные колебания всей глобулы.


Обратим внимание, что для гармонического радиального осциллятора понятие температуры, связанной с хаотическим движением молекул, исчезает. Энергия есть, а хаоса нет! Здесь нет и кластеров. Есть единая монолитная структура, молекулы которой двигаются синфазно. Достигнута их абсолютная гармония. Но это состояние воды тоже является неустойчивым. Любое повышение температуры, ведет к нарушению гармонии.


В результате синхронизации наружный слой шарового осциллятора образует наиболее прочную структуру – гексасферу. Для такой конструкции необходимо свободное наружное пространство и бОльшее расстояние между молекулами, которых нет у внутренних слоёв. Здесь надо напомнить, что наиболее прочные связи реализуются при строгой ориентации молекул в форме сот. Эта конструкция требует больших расстояний между молекулами, которых нет в недрах осциллятора. И когда наружная сфера получает возможность создать ажурную конструкцию, она всенепременно это делает, и превращает осциллятор в каплю воды, состоящую из нескольких микросфер (позиция 5).

 
При этом каждая микросфера продолжает оставаться радиальным гармоническим осциллятором, в котором задействовано более 75% межмолекулярных связей. А наружный слой – гексасфера является ограничителем радиальных перемещений и гарантом устойчивости новой структуры. Именно такая структура и является тем, что мы называем жидкой водой!
Итак, короткий ответ на третий вопрос формулируется следующим образом: хаос пара превращается в гармонию капли воды в результате ряда последовательных превращений 1 – 2 – 3 – 4 – 5 (смотри рис.2)


          4. Почему пар, который тяжелее воздуха в одном случае выпадает в виде осадков, а в другом остаётся на небе в виде облаков?

Заметим, что и в первом, и во втором случае капли воды падают вниз! Причём на падающие капли действует сила аэродинамического сопротивления воздуха, которая уравновешивает силу гравитации. В результате чего скорость падения капель, и не только их, является постоянной величиной. На скорость их падения оказывает влияние их радиус. Масса капли пропорциональна кубу радиуса, а вот аэродинамическая сила сопротивления пропорциональна квадрату радиуса. В результате получается, чем меньше капля, тем медленнее она падает.
«Но она всё равно же падает», - заметит любопытный читатель – «но что-то этого невидно!».


Всё очень просто. Те капли, которые мы наблюдаем в виде облаков имеют нано размеры (от одного до нескольких десятков нанометров). И они падают со скоростью нескольких нанометров в секунду. Кто-то умный подсчитал, что на один метр они опустятся за несколько часов. А если учесть наличие восходящих потоков воздуха, то они скорее всего будут подниматься, а не опускаться.
А вот дождевые капли имеют субмиллиметровый размер, то есть почти в миллион раз больше, поэтому их скорость достигает 10 метров в секунду, и, следовательно с высоты, скажем, полкилометра они будут падать до земли менее, чем за минуту.


Ну и прежде, чем закончить эту часть, добавим пару слов о процессе реструктуризации воды.


На рис.2, позиция 2`, показано, что в результате превышения внутренней тепловой нагрузкой прочности гексасферы, она разрушается. Но разрушается она совсем не так, как это делают известные нам инженерные конструкции. Она теряет несущую способность путём увеличения диаметра, путём превращения в паровой пузырь.
Дальнейшее поведение пузыря зависит от температуры внутреннего пара.

Если образование пузыря происходит при температуре кипения, то пузырь покидает воду. Идёт процесс по схеме: 2` – 1. Каждый из нас наблюдал бурлящий кипяток.
 Если же образование пузыря происходит при температуре ниже температуры кипения, то, чаще всего, пузырь испускает одиночные, наиболее горячие молекулы пара, охлаждается, а кластеры внутри него образуют очередную глобулу, и процесс идёт по схеме: 2` – 3 – 4 – 5.


Ещё раз обратим внимание, что двойные стрелки на рис.2 показывают, что процесс может идти в обоих направлениях: вправо, при понижении температуры, и влево, при её повышении. Одиночные стрелки означают, что процесс имеет одностороннюю направленность.

               (продолжение следует)