DagTech Глобальные проекты Гамида Халидова
 
russian english
Проекты
Автор

 

Khalidov.net

Khalidov.net
22.10.2010



Гамид Халидов,
Институт физики ДНЦ РАН, Махачкала, Россия


О причинах аномального поведения плотности воды в температурном диапазоне от 0°С до 3,98°С

Обратим внимание на форму молекулы воды (рис.1). В её форме между атомами водорода имеется впадина, образованная частью сфер атомов водорода (рис. 2).

Рис.1

Рис.2

Это есть, говоря языком физики, потенциальная яма с системой энергетических уровней. Для краткости назовём её "потенциальной ямой" (ПЯ) (рис. 2).

К повышению плотности воды в температурном диапазоне от 0°C до 3,98°С приводит такое явление, как объединение молекул в цепочки (рис.3), а согласно делаемому предположению происходит оно за счет "проникновения" и "размещения" части одной молекулы в ПЯ другой молекулы (рис.4).

Рис.3

Рис.4

Это становится возможным, как по причине изменения формы и размеров молекулы при переходе воды из твёрдой фазы в жидкую, когда уменьшение угла Н1-О-Н2 и расстояний Н1-О, Н12, Н2-О делают возможным формирование ПЯ, так и из-за нарастающего теплового движения молекул, способствующему её "заполнению".

Именно эти новые параметры строения молекулы воды, форма, размеры её ПЯ и нарастающее тепловое движение молекул, позволяют им состыковаться друг с другом, преодолевая барьеры энергетических уровней ПЯ (рис. 4).

При этом новом угле Н1-О-Н2 равном 104°5 устанавливается такое расстояние между ядрами водорода Н12 одной молекулы воды, которое позволяет их выступающим "куполам" сформировывать ПЯ и играть роль "направляющих" для атома кислорода другой молекулы воды, обеспечивая "хорошую притирку". В пользу "хорошей притирки" и стабильно-нарастающего сопротивления ПЯ говорит симметричность и динамика изменения плотности воды по обе стороны от 3,98°С: (Табл.1)

Табл.1

В итоге при температуре 3,98°С устанавливается баланс между силой, с которой одна молекула под ударами окружающих её молекул "продавливается" в ПЯ другой молекулы, и силой сопротивления энергетических уровней этой ПЯ, стремящихся восстановить исходное положение. Достигнув по фронту (возможной) глубины ПЯ молекулы, а по её краям границ "куполов" атомов водорода, "проникающая" молекула останавливается (рис. 4). Фиксируется максимальная плотность воды.

При дальнейшем повышении температуры от 3,98°С до 8°С, увеличивающаяся энергия ПЯ молекул и нарастающее тепловое движение окружающих молекул выталкивают "продавленные" молекулы из ПЯ до их положений, которые занимали при 0°С. При дальнейшем повышении температуры молекулы расстыковываются, разрушая цепочки молекул и вызывая этим уменьшение плотности воды.

При понижении температуры воды от 3,98°C к 0°C происходит уменьшение плотности воды по причине того, что силы, с которой энергетические уровни ПЯ молекул стремятся восстановиться в своём исходном невозмущенном состоянии, начинают превышать силы давления уменьшающего теплового движения молекул, что и выдавливает молекулы одну из другой.

А поскольку, плотность воды начинает уменьшаться сразу после начала снижения температуры, то можно сказать, что роль сил взаимодействия связей "плюс-минус" в сохранении цепочек такого рода незначительна и большее значение для процесса "стыковки-расстыковки" имеет их "направляющая" функция.

То, что динамика увеличения и уменьшения плотности воды практически симметрична, также говорит в пользу этой гипотезы, как и то, что при 8°C симметрия нарушается на незначительную величину в сторону увеличения плотности.

P.S. Этот материал был доложен автором на прошедшем в ДНЦ РАН международном семинаре «Магнитные фазовые переходы» в рамках международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» 22 ноября 2011 года в г. Махачкале. После получасового активного обсуждения доклад был положительно воспринят участниками конференции. Но из-за несвоевременного представления доклада, он не попал в материалы конференции.


Вернуться к списку публикаций

 

     © DagTech 2002-2013. Дизайн Компания IWT.