Парадоксы замерзающей воды и их решения

Начало книги "Всё парадоксы воды и их решения" в "О простоте и парадоксах": http://proza.ru/2026/01/15/1353


Без разрешения парадоксов нет пути к простой и логичной картине мира.  Так уж, видимо, устроены люди, что без такой картины в головах им плохо и неуютно жить в таком мире, в котором всё непостижимо сложно и непонятно. Говорят, один древний грек даже умер от огорчения, не справившись с решением всего лишь одного парадокса. Были же люди...

Прямо сейчас будем решать сразу четыре известных парадокса: вода расширяется при охлаждении от +4 до 0 градусов Цельсия (это считается аномальным или чудесным свойством воды); лишенная малейшей возможности к расширению вода при охлаждении создаёт очень большое давление, оставаясь при этом водой;  парадокс мгновенного замерзания переохлажденной в пластиковой бутылке воды при её встряхивании (тут сразу два парадокса - незамерзание воды при морозе в -18 и её мгновенное, как по команде, замерзание); и горячая вода при всех прочих равных условиях может замерзнуть раньше холодной (это известный парадокс Аристотеля-Мпембы). 

Кинетическая теория теплоты и давления не сможет объяснить эти парадоксы никогда. Но мы эту теорию научной уже не считаем и знаем другие определения и давления, и теплоты: давление в воде и в воздухе - это напряжение взаимного отталкивания равноудаленных вибрирующих частиц; а теплота - это то, что существует только в виде индукционных атомных квантов. Этими квантами вибрирующие и удалённые друг от друга частицы словно дёргают друг друга, побуждая друг друга к синхронности внутратомных и атомных движений. Так осуществляется индуктивный теплообмен, который прекрасно работает на расстоянии и не допускает сталкиваний атомов и молекул. А теплообмен путём абсолютно упругих столкновений хаотических частиц придумали теоретики. Они-то и свернули с пути логичного познания мира и наплодили парадоксов.

Несколько парадоксов воды разрешил Архимед, когда объяснением плавания в воде и в воздухе "малых твёрдых тел", опроверг теорему Демокрита о невесомости хаосов (Демокрит считал воздух невесомыми хаосом). Сейчас мы представления Архимеда о воде и воздухе как о кристаллических веществах, сдавленными нарастающим книзу давлением сверху, просто превратим в очевидность.

Наполним пустой аквариум шариками для пинг-понга. Это и есть "вода Архимеда", то есть простейшая модель воды, состоящей из равноудаленных частиц, между которыми есть сообщающиеся между собой пространства (или пазухи) , заполненные воздухом. Природная вода - это тоже смесь воздуха и воды, в которой, например, живут и дышат кожей земноводные.

Наполним пустой аквариум обычной водой. Через какое-то время в   "атмосфере воды" будет 35 % кислорода, тогда как в воздухе над ним кислорода всего 21 %.  Этот факт говорит о том, что кислород не растворяется в воде и даже не диффундирует в воду, а просто входит в неё, как в открытые двери, вместе с азотом. При этом более тяжёлые молекулы кислорода (32 а. е.  против 28) частично вытесняют лёгкие молекулы азота.

При охлаждении вода словно делает вдох, а при нагревании - выдох. Это объясняется тем, что способность атомов и молекул к движению взаимного отталкивания пропорциональна температуре, то есть интенсивности внутратомных и атомных движений. Воздух "атмосферы воды" расширяется и часть его просто выходит из воды. Это раз.

Во-вторых, при нагревании расширяются и сами кластеры, состоящие из множества молекул Н-О-Н. Это может быть причиной того, что воздушные пазухи между ними могут уменьшаться, и воздух из воды может как бы выжиматься.

Если пазухи между шариками воды заполнены растворенными солями, то воздуха в такой воде может не быть вообще. Тут уместен пример Мёртвого моря. Но мы, кажется, отвлеклись.

Заполним аквариум шариками для пинг-понга и переместим их в отдельную тару.  Теперь снова будем наполнять аквариум шариками из тары, но только каждый шарик каждого верхнего ряда будем располагать точно над каждым шариком каждого нижнего ряда. Это у нас получится сделать только с помощью вертикальных палочек или трубочек. При этом мы заметим, что все шарики из тары в аквариуме уже не помещаются. Вот примерно так же вода расширяется при замерзании.

Первый наш парадокс (расширение воды при охлаждении  от +4 до 0) уже объясняется проще простого: частичная структурная перестройка частиц воды в структуру льда ("фазовый переход") начинается при охлаждении воды  4 и ниже градусов. То есть в воде появляются микроскопические пластинки льда, плотность которых меньше плотности воды.

Учёные изучают воду в лабораторных условиях. Они наливают воду, скажем, в пробирку с рисками и ставят её в морозильник. При этом вода у них охлаждается со всех сторон. Микроскопические частицы льда в толще воды они не видят (в воде не видно даже бесцветную леску), а расширение воды могут заметить по рискам на пробирке. Вот и всё объяснение парадокса расширения воды при охлаждении от +4 до 0 градусов Цельсия.

В естественных водоёмах вода при похолоданиях интенсивно охлаждается сверху, поэтому лёд образуется на поверхности воды, а не на дне. Тут никакое всплытие охлажденных и менее потных частиц или слоёв придумывать не надо.

Второй наш парадокс: при лишении воды возможности к расширению она при охлаждении может создавать очень высокое давление, оставаясь при этом водой. То есть наполняем прочный сосуд водой, завинчиваем пробку и ставим сосуд в морозилку. Через какое-то время слышим резкий звук и видим вытекающую из лопнувшего сосуда воду, которая тут же превращается в лёд.

Наполняем аквариум стальными шариками. Шарики своим весом давят друг на друга и с такой же силой отталкиваются друг от друга. Это взаимное отталкивание условно неподвижных вибрирующих частиц мы и называем и напряжением взаимного отталкивания равноудаленных частиц, и давлением в жидкостях и в газах.

Давление шариков на стенки аквариума равно суммарному напряжению взаимного отталкивания, то есть все частицы участвуют в создании этого давления (шарики для пинг-понга давили на стенки аквариума гораздо слабее). Все - значит, каждая. Теперь возьмём один стальной шарик и с некоторой высоты уроним в аквариум. Тут есть большая вероятность того, что стеклянные стенки аквариума разлетятся в дребезги.  Одна частица стала причиной увеличения и напряжения и давления в аквариуме.

Что является причиной создания высокого давления водой, охлажденной до порога замерзания? Думается, ответ тут очевиден: высокое давление (или высокое напряжение взаимного отталкивания) частицы воды создают своим стремлением занять своё место в гексагональный (шестиугольной) структуре льда.

Нам может казаться, что вода мягкая, но... Смочите этой "мягкой" водой сухие деревянные клинья, вбитые в расщелины скалы... и частицы воды своим стремлением занять своё место в структуре древесины порвут гранитную скалу. Кстати, это тоже был парадокс, который кинетическая теория не смогла бы объяснить никогда.

Можно в мороз налить воду в расщелину скалы, а летом вбить в неё сухие клинья и полить водой, результат будет аналогичный.  Это людям известно со времен неолита.

Третий наш парадокс - парадокс мгновенного замерзания переохлажденной воды. То есть наливаем в пластиковую бутылку воду и выносим её на мороз или оставляем на ночь в салоне автомобиля. Утром с удивлением обнаруживаем, что вода в бутылке не замёрзла. Ударяем по ней чем-нибудь... и вода тут же превращается в лёд. Учёные не хотят даже слышать об этом "фокусе", в ведь и тут всё довольно просто.

Вода не замерзает в пластиковой бутылке при минусовых температурах, во-первых, потому,  что её стенки идеально гладкие, а в самой воде нет "центров кристаллизации".

Во-вторых, вода в полной бутылке не замерзает потому, что она охлаждается равномерно со всех сторон и в ней создаётся большое давление (или напряжение взаимного отталкивания равноудаленных частиц), которое препятствует перестройка шариков (кластеров) воды из структуры воды в структуру льда. Но возможность перескочить с места на место у шариков воды появляется в момент удара, когда сама вода внутри бутылки приходит в движение. В морозилке холодильника вода в бутылках замерзает, потому что есть вибрация от работы компрессора. Так что в "фокусе" мгновенного замерзания воды для нас уже нет ничего удивительного, но есть то, что теоретики объяснить не смогут.


Парадокс Мпембы решил выделить в отдельную тему.