Эксперимент по сжатию льда не подтвердил «двуличность» воды
Новая серия опытов по исследованию льда при высоком давлении не позволила обнаружить фазовые переходы, которые должны были быть, если бы вода была смесью двух жидкостей. Опираясь на предыдущие работы, ученые хотели изучить процесс превращения обычного льда в аморфный лед высокой плотности, но формирования этой фазы не произошло. Эти результаты опровергают данные о термодинамической стабильности аморфного льда и не подтверждают двухжидкостную гипотезу строения воды, пишут авторы в журнале Nature.
С точки зрения физики, вода — очень непростое вещество, она отличается сложной фазовой диаграммой (зависимость стабильной формы от температуры и давления) и аномальными значениями теплоемкости и плотности. Многие из этих особенностей пока не получили полноценного теоретического объяснения. Одна из нерешенных проблем — стабильность некоторых твердых фаз воды. На данный момент известно как минимум 17 различных видов кристаллического льда и еще 3 вида аморфного льда, расположение молекул в котором не характеризуется дальним порядком.
Температура плавления самой распространенной в земных условиях формы замерзшей воды, льда Ih, уменьшается при увеличении давления. Это обстоятельство стало мотивацией знаковой работы 1984 года, в которой исследовался процесс «плавления» льда при температуре в 77 кельвинов и давлении 10 тысяч атмосфер. В результате ученые получили аморфный лед высокой плотности (high-density amorphous ice, HDA), который таким образом должен являться стеклообразным состоянием воды. HDA также можно сохранить и при нормальном давлении при низких температурах, но если в таких условиях его нагревать, то он превращается в аморфный лед низкой плотности (LDA), а не в исходную кристаллическую форму.
Дополнительные исследования взаимопревращений HDA и LDA указали на скачкообразное изменение объема, а сам процесс обратим и протекает без каких-либо промежуточных состояний, что указывает на его принадлежность к фазовым переходам первого рода. Эти обстоятельства вдохновили теоретиков на создание модели воды как смеси двух жидкостей, так как граница между аморфными льдами могла продолжаться и в область переохлажденной воды — часть фазовой диаграммы, где вода может оставаться жидкой, хотя и при температуре ниже замерзания.
Эта фазовая граница теоретически должна заканчиваться в точке, называемой второй критической точкой воды по аналогии с первой критической точкой, где пропадает разница между жидкой водой и водяным паром. В рамках такого подхода при превышении температуры второй критической точки вода должна представлять смесь двух жидкостей с различными плотностями, а два вида аморфного льда связаны с ними.
В то время как абсолютное большинство кристаллов под давлением остаются веществами с дальним порядком, лед, а также минералы α-кварц и берлинит, долгое время считались единственными исключениями, превращающимися в аморфные вещества. Последние два соединения относительно недавно удалось превратить в кристаллы при наложении изотропного давления. В работе под руководством Криса Талка (Chris Tulk) из Национальной лаборатории Ок-Ридж в США впервые описываются эксперименты по сжатию льда изотропным давлением, которые были достаточно медленными, чтобы наблюдать переход в кристаллическое состояние.
В ходе эксперимента ученые замораживали трехмиллиметровую капельку тяжелой воды, в состав которой вместо обычного водорода входит его изотоп с дополнительным нейтроном в ядре — дейтерий. Образец охлаждали до 100 кельвинов, а затем в течение нескольких часов пошагово поднимали давление до 28 тысяч атмосфер. Между каждым увеличением давления лед исследовался методом нейтронографии, который позволяет установить кристаллическую структуру вещества. Тяжелая вода использовалась для усиления рассеяния нейтронов и увеличения точности метода.
Последовательность превращений льда. Сверху реально полученная в эксперименте, снизу — ожидаемая в модели воды как смеси двух жидкостей
Источник
1000 «детских» вопросов и ответов. (длиннопост) Ч. 8
95. Почему снег поглощает звуки?
Во время снегопада крики слышны на меньшее расстояние, чем в ясную погоду, свежий снежный покров тоже поглощает звук. Дело в том, что мелкие поры снежных хлопьев и рыхлого, недавно выпавшего снега приглушают звуковые волны. Они попадают в маленькие поры кристаллов снега и теряются там: их энергия пропадает. Старый снег или лед имеют гладкую поверхность и больше не могут так хорошо поглощать звук, а особенно далеко голоса разносятся над спокойной поверхностью воды.
96. Как вода может взорвать камень?
Если вода попадет в маленькие щели на шоссе или в здании, а потом замерзнет, то со временем она может взорвать асфальт, бетон и кирпич.
Это вызывает морозобойные повреждения. Сила, с которой вода давит на окружающие тела, составляет 2 тонны на квадратный сантиметр. Представь себе вес слона, давящий на почтовую марку.
До изобретения взрывчатки эту силу замерзающей воды использовали в каменоломнях. Рабочие сверлили отверстия в огромных каменных блоках и наполняли их водой. При заморозках лед расширялся и взрывал камни.
В Древнем Египте, где температура не бывает ниже нуля, поступали по-другому. В камне делали несколько рядом расположенных отверстий, вставляли в них кусочки сухого дерева и смачивали их водой. Дерево разбухало и взрывало камень.
97. В чем разница между водой и водяным паром?
Все вещества, с которыми мы встречаемся в окружающем нас мире, бывают или жидкими, или твердыми, или газообразными.
Эти состояния веществ называют агрегатными состояниями.
Многие вещества при охлаждении или нагревании можно перевести из одного агрегатного состояния в другое.
При этом они неожиданно приобретают совсем другие свойства.
Например, если нагреть воду до температуры выше 100 градусов Цельсия, она превращается в газ, в водяной пар.
У воды и водяного пара одинаковый химический состав, но совершенно разные свойства: водяной пар имеет свойства, типичные для газов.
Его можно сжимать, как воздух. Пар, как и воздух, обладает упругостью, он может сжиматься и снова расширяться и при этом может привести в действие паровую машину.
98. А есть жидкий воздух?
Даже такие прочные и твердые вещества, как железо, можно нагреть до такой температуры, что они становятся жидкими. При еще более высоких температурах жидкие металлы превращаются в газ. И наоборот, вещества, встречающиеся при нормальных температурах в виде газа, можно охладить до такой степени, что они становятся жидкими или даже твердыми. Например, воздух при температуре в минус 197,5 градуса Цельсия превращается в жидкость.
99. Почему дым поднимается вверх?
Дым содержит много мельчайших частиц, в том числе сажу, летучую золу и капельки смолы. Они возникают при сгорании. В ясную, сухую и безветренную погоду дым из трубы или от костра поднимается вертикально вверх. Тогда все содержащиеся в дыме вещества легкие и сухие и поднимаются вместе с горячим воздухом. Иначе обстоит дело в дождливую погоду. Тогда воздух влажный и содержит много водяного пара. Невидимые маленькие капельки, из которых состоит пар, оседают на частицах дыма и тянут дым вниз. Поэтому он становится тяжелым и не может так легко подниматься вверх. Если дым не поднимается над трубой, а висит над крышами, это — признак высокой влажности воздуха. Очень может быть, что скоро пойдет дождь.
100. Можно ли сжать воду?
Жидкости нельзя сжать. Они не обладают упругостью и не изменяют свой объем. Объемом предмета называется пространство, которое он занимает. Поэтому совершенно невозможно вместить два литра воды в литровую бутылку.
101. Почему губка впитывает воду?
На губке хорошо видно, как вода сама собой поднимается по маленьким щелочкам, тонким трубочкам и маленьким порам. В губке много маленьких пор. Если положить ее в пролитую воду, губка становится мокрой. Вода проникает в поры, и лужица пропадает. Это свойство воды называется капиллярностью (слово происходит от латинского «capillaris» — «волосной», потому что поры имеют толщину волоса). И промокательная бумага может впитывать воду только потому, что в ней много очень маленьких пор. Кстати, все полотенца и тряпки для вытирания имеют такое же строение. Гладкая бумага или гладкий шелк впитывают воду очень плохо.
102. Сколько воды нужно дереву?
Ни одно живое существо не может обойтись без воды. Животные пьют воду, берут ее из пищи или поглощают кожей. Растения впитывают воду главным образом корнями из почвы. Таким образом, большое дерево поглощает за сутки тонну воды, которая поднимается из корней по стволу и ветвям в листья и там испаряется.
103. Как вода попадает в крону дерева?
Это происходит без помощи мускулов или насоса. Дело в том, что вода сама поднимается по тонким трубочкам наверх. По древесине корней, ствола и ветвей проходит огромное количество таких трубочек и каналов. Они, как губка, впитывают воду.
Как только она испаряется с листьев, вверх всасывается новая вода.
Чем больше дерево, тем труднее ему поднимать наверх большое количество воды. Поэтому огромные секвойядендроны (Мамонтовы деревья) в Северной Америке произрастают только во влажных областях, где часто бывают обильные туманы. Они могут поглощать воду листьями из тумана.
104. Почему иголка может плавать?
Если осторожно положить иголку на воду, она не тонет, а плавает. Внимательно присмотревшись, можно увидеть, что иголка сделала в поверхности воды небольшое углубление, это выглядит так, словно на поверхности воды натянута тонкая пленка, а на ней лежит иголка. То, что выглядит как пленка и удерживает иголку на поверхности, — это поверхностное натяжение воды.
Молекулы воды стараются находиться как можно ближе и притягиваются друг к другу, «натягивая» поверхность воды. Правда, сила поверхностного натяжения очень мала, но она может вытолкнуть такой легкий предмет, как иголка. Но как только один конец иглы опустится в воду, чары разрушатся, поверхностное натяжение исчезнет, и иголка утонет.
А для предметов более тяжелых, чем иголка, сила поверхностного натяжения воды слишком мала.
105. Почему на старых фотографиях люди так напряженно смотрят в объектив?
У первых фотографов людям приходилось целую минуту сидеть неподвижно перед фотоаппаратом, пока фотопленки того времени освещались. Если человек шевелился или хотя бы мигал, изображение получалось нечетким — отсюда и напряженные позы.
Особенно неприятно это было для детей. Они не могут так долго сидеть неподвижно, и фотографам часто приходилось повторять съемку. Поэтому за фотопортреты детей просили больше денег, чем за фотографии взрослых.
Источник
Можно ли сжать лед воду
Войти
Авторизуясь в LiveJournal с помощью стороннего сервиса вы принимаете условия Пользовательского соглашения LiveJournal
Можно ли сжать воду?
Откуда же у воды эта колоссальная сила?
Надавим пальцем на небольшой булыжник. На нём не образуется ни малейшей вмятины. А в воду палец погрузится без всякого нажима. Кто знаком с физикой, сможет объяснить: нашей силы оказалось недостаточно, чтобы сжать камень. Вода же и не сжималась. Она лишь раздвинулась, вытеснилась пальцем и заняла новое место; при этом её уровень в сосуде повысился.
Значит ли это, что вода «слабее» камня?
В физической лаборатории можно произвести такой опыт: камень и примерно такой же объём воды попробовать сжать в мощном прессе. Надо воду налить в очень прочный стальной стакан и давить на её поверхность поршнем.
При определённой силе давления камень начнёт сжиматься, а затем крошиться, разрушаться. С водой же ничего не случится, если даже на неё давить с силой во много раз большей. При огромном давлении — около 10 000 тысяч атмосфер — вода сожмётся лишь на одну шестую часть своего объёма.
Этим свойством воды широко пользуются в технике, например в устройствах гидравлических прессов и подъёмников.
Плотной струёй воды, выбрасываемой из особых водяных пушек — гидромониторов, дробят пласты угля и торфа, гасят пламя пожаров. Специальные суда — земснаряды, используя силу воды, размывают природные грунты (песок, глину, гравий и др.), перекачивают их по трубам и в короткий срок намывают гигантские плотины, дамбы и т.п.
Огромная сила воды проявляется и при её охлаждении. Как действует холод на большинство веществ? Они сжимаются, становятся меньше по объёму. Это явление всегда учитывается при строительстве зданий, линий электропередач и т.п.
У воды — иное свойство. Когда она превращается в лёд, то расширяется, занимает больший объём. Вода, замёрзшая в горных расщелинах, легко раскалывает прочнейшие каменные массивы. Много раз бывало, что корпуса больших кораблей, вмёрзшие в полярные льды, раздавливались, как хрупкие скорлупки.
Источник: «Природа — мудрый конструктор» К. Курденков, Ю. Юркан. 1967 г.
Источник
5 аномальных фактов о воде
Несмотря на простую химическую формулу, вода — вещество с очень необычными свойствами. Она таит в себе множество загадок, которые порой не под силу разгадать даже ученым.
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую — холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо.
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O, становится H1.5O!
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.
Источник
