Как выглядят частицы воды при нагревании. Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

В системах водяного отопления вода используется для передачи тепла от его генератора к потребителю.
Наиболее важными свойствами воды являются:
теплоемкость;
изменение объема при нагреве и при охлаждении;
характеристики кипения при изменении внешнего давления;
кавитация.
Рассмотрим данные физические свойства воды.

Удельная теплоемкость

Важным свойством любого теплоносителя является его теплоемкость. Если выразить ее через массу и разность температур теплоносителя, то получится удельная теплоемкость. Она обозначается буквой c и имеет размерность кДж/(кг K) Удельная теплоемкость - это количество тепла, которое необходимо передать 1 кг вещества (например, воды), чтобы нагреть его на 1 °C. И наоборот, вещество отдает такое же количество энергии при охлаждении. Среднее значение удельной теплоемкости воды в диапазоне между 0 °C и 100 °C составляет:
c = 4,19 кДж/(кг K) или c = 1,16 Втч/(кг K)
Количество поглощаемого или выделяемого тепла Q , выраженное в Дж или кДж , зависит от массы m , выраженной в кг , удельной теплоемкости c и разности температур, выраженной в K .

Увеличение и уменьшение объема

Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Это уникальное ее свойство называется аномалией воды. Вода имеет наибольшую плотность при +4 °C, при которой 1 дм3 = 1 л имеет массу 1 кг.

Если вода нагревается или охлаждается относительно этой точки, ее объем увеличивается, что означает уменьшение плотности, т. е. вода становится легче. Это можно отчетливо наблюдать на примере резервуара с точкой перелива. В резервуаре находится ровно 1000 см3 воды с температурой +4 °C. При нагревании воды некоторое количество выльется из резервуара в мерную емкость. Если нагреть воду до 90 °C, в мерную емкость выльется ровно 35,95 см3, что соответствует 34,7 г. Вода также расширяется при ее охлаждении ниже +4 °C.

Благодаря этой аномалии воды у рек и озер зимой замерзает именно верхний слой. По той же причине лед плавает на поверхности и весеннее солнце может его растопить. Этого бы не происходило, если бы лед был тяжелее воды и опускался на дно.

Резервуар с точкой перелива

Однако, такое свойство расширяться может быть опасным. Например, автомобильные двигатели и водяные насосы могут лопнуть, если вода в них замерзнет. Во избежание этого в воду добавляются присадки, препятствующие ее замерзанию. В системах отопления часто используются гликоли; соотношение воды и гликоля см. в спецификации производителя.

Характеристики кипения воды

Если воду нагревать в открытой емкости, она закипит при температуре 100 °C. Если измерять температуру кипящей воды, окажется, что она остается равной 100 °C пока не испарится последняя капля. Таким образом, постоянное потребление тепла используется для полного испарения воды, т. е. изменения ее агрегатного состояния.

Эта энергия также называется латентной (скрытой) теплотой. Если подача тепла продолжается, температура образовавшегося пара снова начнет подниматься.

Описанный процесс приведен при давлении воздуха 101,3 кПа у поверхности воды. При любом другом давлении воздуха точка кипения воды сдвигается от 100 °C.

Если бы мы повторили описанный эксперимент на высоте 3000 м - например, на Цугшпитце, самой высокой вершине Германии - мы бы обнаружили, что вода там закипает уже при 90 °C. Причиной такого поведения является понижение атмосферного давления с высотой.

Чем ниже давление на поверхности воды, тем ниже будет температура кипения. И наоборот, температура кипения будет выше при повышении давления на поверхности воды. Это свойство используется, например, в скороварках.

График показывает зависимость температуры кипения воды от давления. Давление в системах отопления намеренно повышается. Это помогает предотвратить образование пузырьков газа в критических рабочих режимах, а также предотвращает попадание наружного воздуха в систему.

Расширение воды при нагревании и защита от избыточного давления

Системы водяного отопления работают при температурах воды до 90 °C. Обычно система заполняется водой при температуре 15 °C, которая затем расширяется при нагревании. Нельзя допустить, чтобы это увеличение объема привело к возникновению избыточного давления и переливу жидкости.

Когда отопление отключается в летний период, объем воды возвращается к первоначальному значению. Таким образом, для обеспечения беспрепятственного расширения воды необходимо установить достаточно большой бак.

Старые системы отопления имели открытые расширительные баки. Они всегда располагались выше самого высокого участка трубопровода. При повышении температуры в системе, что приводило к расширению воды, уровень в баке также повышался. При снижении температуры он, соответственно, понижался.

Современные системы отопления используют мембранные расширительные баки (МРБ). При повышении давления в системе нельзя допускать увеличения давления в трубопроводах и других элементах системы выше предельного значения.

Поэтому обязательным условием для каждой системы отопления является наличие предохранительного клапана.

При повышении давления сверх нормы предохранительный клапан должен открываться и стравливать лишний объем воды, который не может вместить расширительный бак. Тем не менее, в тщательно спроектированной и обслуживаемой системе такое критическое состояние никогда не должно возникать.

Все эти рассуждения не учитывают тот факт, что циркуляционный насос еще больше увеличивает давление в системе. Взаимосвязь между максимальной температурой воды, выбранным насосом, размером расширительного бака и давлением срабатывания предохранительного клапана должна быть установлена самым тщательным образом. Случайный выбор элементов системы - даже на основании их стоимости - в данном случае неприемлем.

Мембранный расширительный бак поставляется заполненным азотом. Начальное давление в расширительном мембранном баке должно быть отрегулировано в зависимости от системы отопления. Расширяющаяся вода из системы отопления поступает в бак и сжимает газовую камеру через диафрагму. Газы могут сжиматься, а жидкости - нет.

Давление

Определение давления
Давление - это статическое давление жидкостей и газов, измеренное в сосудах, трубопроводах относительно атмосферного давления (Па, мбар, бар).

Статическое давление
Статическое давление - это давление неподвижной жидкости.
Статическое давление = уровень выше соответствующей точки измерения + начальное давление в расширительном баке.

Динамическое давление
Динамическое давление - это давление движущегося потока жидкости. Давление нагнетания насоса Это давление на выходе центробежного насоса во время его работы.

Перепад давления
Давление, развиваемое центробежным насосом для преодоления общего сопротивления системы. Оно измеряется между входом и выходом центробежного насоса.

Рабочее давление
Давление, имеющееся в системе при работе насоса. Допустимое рабочее давление Максимальное значение рабочего давления, допускаемого из условий безопасности работы насоса и системы.

Кавитация

Кавитация - это образование пузырьков газа в результате появления локального давления ниже давления парообразования перекачиваемой жидкости на входе рабочего колеса. Это приводит к снижению производительности (напора) и КПД и вызывает шумы и разрушение материала внутренних деталей насоса. Из-за схлопывания пузырьков воздуха в областях с более высоким давлением (например, на выходе рабочего колеса) микроскопические взрывы вызывают скачки давления, которые могут повредить или разрушить гидравлическую систему. Первым признаком этого служит шум в рабочем колесе и его эрозия.

Важным параметром центробежного насоса является NPSH (высота столба жидкости над всасывающим патрубком насоса). Он определяет минимальное давление на входе насоса, требуемое данным типом насоса для работы без кавитации, т. е. дополнительное давление, необходимое для предотвращения появления пузырьков. На значение NPSH влияют тип рабочего колеса и частота вращения насоса. Внешними факторами, влияющими на данный параметр, являются температура жидкости, атмосферное давление.

Предотвращение кавитации
Чтобы избежать кавитации, жидкость должна поступать на вход центробежного насоса при определенной минимальной высоте всасывания, которая зависит от температуры и атмосферного давления.
Другими способами предотвращения кавитации являются:
Повышение статического давления
Понижение температуры жидкости (снижение давления парообразования PD)
Выбор насоса с меньшим значением постоянного гидростатического напора (минимальная высота всасывания, NPSH)
Специалисты фирмы "Агроводком" с удовольствием помогут вам определиться с оптимальным выбором насоса. Обращайтесь!

Класс: 5

Цели урока:

• расширить знания о воде, ее свойствах, значении воды, ввести понятия раствор, взвесь, значение растворов в природе и жизни человека;
• развить наблюдательность, мыслительную деятельность, воспитывать бережное отношение к воде.

Оборудование:

• химическая посуда для опытов,
• спиртовка,
• вещества для опытов,
• костюмы для капелек, к
• арточки для самостоятельной работы.

Ход урока

Здравствуйте, ребята! Сегодня наш урок посвящен воде и называется “Ее величество – вода”. На уроке мы расширим свои знания о воде, познакомимся с ее свойствами, а также водой как растворителем веществ. Узнаем, что такое раствор и, что такое взвесь.

Открываем тетради, в которых записываем тему урока “Ее величество – вода”.

Каждый человек пользуется водой для приготовления пищи и других бытовых нужд, для промышленных предприятий, для выращивания растений и животных. Что же такое вода расскажут нам капельки.

Капелька 1: Вода – вещество привычное и необычное. Ученые абсолютно правы: нет на Земле вещества более важного для нас, чем обыкновенная вода. Почти три четверти поверхности нашей планеты занято морями и океанами. Твердой водой - снегом и льдом - покрыто 20% суши. От воды зависит климат нашей планеты. Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный камень, если бы не вода. Нагреваясь вода забирает тепло, а остывая отлает его. От космического холода предохраняет Землю та вода, которая рассеяна в атмосфере – в облаках в виде пара.

Капелька 2: У воды много удивительных свойств, которые делают ее не похожей на все другие вещества. Но среди них есть одно необычное - это ее бессмертие. Примерно один миллиард тонн воды расходуется человечеством за сутки. Но общее количество воды не уменьшается. Сколько ее было миллионы лет назад, столько же ее и в наше время.

Капелька 3: Велика роль воды в жизни на Земле. Живые организмы нашей планеты приспособились ко всяким условиям: к полному мраку, к жаре и холоду. Но ни одно живое существо не может обходиться без воды. Все растения и животные содержат в себе воду, да и наше собственное тело на три четверти состоит из воды. Знаете ли вы, что при потере человеком 1 литра воды (это примерно 2% массы тела) появляется ощущение жажды. При потери 6-8% влаги человек впадает в полуобморочное состояние. Потеря 10% воды вызывает галлюцинации. А потеря более 12% человек погибает.

Учитель: Так что же такое вода? (Ответы детей) Вода – это химическое вещество, которое имеет свои свойства. В тетрадях записываем: Свойства воды.

С некоторыми свойствами воды вы уже знакомы. Давайте вспомним их, а поможет нам в этом наш учебник (работа с учебником).

Свойства воды:

• прозрачна;
• бесцветна;
• без вкуса и без запаха;
• текуча;
• может находиться в трех агрегатных состояниях;
• может переходить из одного агрегатного состояния в другое.

(Свойства воды записываются в тетрадь)

А теперь давайте познакомимся еще с некоторыми ее свойствами. В этом помогут нам опыты.

Оборудование:

• 2 колбы с газоотводной трубкой,
• 2 кристаллизатора.

Вещества:

• вода,
• горячая вода,

Посмотрим, что произойдет, если мы возьмем две одинаковые колбы с водой, уровень воды отметим меткой. Одну опустим в лед, а другую в горячую воду. Что происходит?

Мы наблюдаем, что в горячей воде, вода находящаяся в колбе поднимается выше метки, а в колбе, которую опускаем в лед, наоборот опускается.

Делаем вывод, что вода при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

Давайте посмотрим другой опыт.

ОПЫТ 2:

(Опыт демонстрируется учеником как выполненное домашнее задание)

Оборудование:

• стеклянная бутылка с пробкой.

Вещество:

Ученик: Я взял стеклянную бутылку, налил воды, плотно заткнул пробкой и вынес на мороз. Когда вода замерзла, бутылка лопнула и раскололась на куски. Это произошло потому, что при замерзании вода расширяется.

Однажды ученые поставили опыт, подобный этому, но вместо бутылки взяли чугунный шар, наполнили его водой, завинтили отверстия и поставили на сильный мороз. Вода, замерзая, разорвала шар. Так велика сила расширяющейся воды.

Учитель: Ребята, после демонстрации опытов какой можно сделать вывод? Какими свойствами наряду с теми которые мы записали обладает вода? (Ответы детей)

Давайте в своих тетрадях запишем свойства воды:

• вода при нагревании расширяется;
• вода при охлаждении сжимается;
• вода при замерзании расширяется.

Пришло время закрепить полученные на нашем уроке знания. Ответьте мне, пожалуйста, на вопросы:

1. Если в чайник или кастрюлю налить воду до краёв и начать нагревать, то через некоторое время вода начинает выплескиваться через край. Почему это происходит? (Вода при нагревании расширяется)
2. Почему садоводы перед наступлением зимы обязательно спускают воду с труб на садовом участке? (При замерзании вода расширяется и поэтому чтобы трубы не лопнули садоводы сливают воду)
3. Вода попадает в мельчайшие трещины скал, от чего горные породы разрушаются. С каким свойством воды это связанно? (Разрушение горных пород связано с расширением воды при замерзании)
4. Известно, что при длительном нагревании вода закипает. Температура кипения равна сто градусов. Кипящая вода используется в быту и на производстве. Где в природе можно встретить горячую воду? (В гейзерах).

При нагревании и кипячении над водой поднимается пар – происходит испарение. Давайте в своих тетрадях запищим определение (работа с тетрадями).

Испарение – это превращение жидкой воды в газообразную.

Испарение происходит при любой температуре, но при более высокой испарение протекает более быстрее. Например: лужи после дождя высыхают и жарким летом и холодной осенью, но летом высыхают быстрее чем осенью.

ОПЫТ З:

(Опыт демонстрируется группой учеников как выполненное домашнее задание)

Оборудование: мерный стакан, 3 чашки, 4 одинаковых стакана.

Вещество:

• вода..

Ученик: Мы взяли мерный стакан и отмерили в каждую чашку по 100 мл воды. Чашки с водой поставили одну на подоконник, другую на стол, третью возле батареи. На следующий день сравнили результаты. Взяли одинаковые стаканы в первый налили 100 мл воды (контроль), а в три остальные вылили воду из чашек. Сравниваем полученные результаты: вода из чашки стоявшей на подоконнике испарилась на одну треть, в чашке, которая стояла на столе - на половину, а чашка, стоящая у батареи была вообще сухая – вода испарилась полностью. Сделаем вывод: чем больше температура окружающей среды, тем испарение происходит быстрее.

Учитель: Со значением испарения в жизни человека и животных мы познакомимся на страницах учебника (работа с учебником).

Ответьте мне на вопросы для закрепления.

1. Что такое испарение воды? (Превращение жидкой воды в газообразную)
2. Как влияет температура и ветер на испарение воды? (Чем выше температура и сильнее ветер, тем испарение происходит быстрее)
3. Когда быстрее высохнет бельё: в ветреную или безветренную погоду? (В ветреную)

Посмотрим еще один опыт.

ОПЫТ 4:

Оборудование:

• спиртовка,
• штативы,
• колба с газоотводной трубкой,
• металлическая пластина.

Вещество:

• вода.

Колбу с водой нагреваем на спиртовке так, чтобы вода закипела, к газоотводной трубке подносим холодную пластину. Пар оседает на пластине в виде капелек.

Вывод: происходит превращение газообразной воды в жидкую.

Этот процесс называется конденсация.

(В тетрадях записываем)

Конденсация – это превращение водяного пара в воду.

Где мы встречаемся с этим явлением? Узнаем из рассказа.

Ученик: С конденсацией водяного пара мы встречаемся в повседневной жизни. Летним вечером или ранним утром, когда воздух холоднее, выпадает роса. Это водяной пар, находящийся в воздухе, при охлаждении оседает на траве, листьях и других предметах в виде маленьких капелек воды. Облака также образуется в результате конденсации водяного пара. Поднимаясь над землей и водоемами в верхние, более холодные слои воздуха, этот пар и образует облака, состоящие из маленьких капелек воды. Если температура воздуха достаточна низкая, то капельки воды замерзают. Из таких облаков выпадает снег, а иногда и град.

Учитель: Спасибо за сообщение.

А сейчас давайте проведем не большую лабораторную работу. На столах у вас находиться все необходимое для работы: химическая посуда и вещества: вода, мел, соль.

Возьмите соль и растворите в воде. Что наблюдаете? (Соль растворилась). Мы получили раствор соли.

Это можно записать схематично так:

растворитель + растворимое вещество = раствор

вода + соль = раствор соли

А теперь возьмем мел, растворим его в воде и сравним с раствором соли. Что мы наблюдаем? (Раствор мела мутный). Профильтруем полученный раствор. Что наблюдаем? (Фильтрат прозрачный, а на фильтре остался осадок). Исходная жидкость называется взвесь.

Вывод:

• если частицы вещества не видимы в воде и вместе с водой проходят через фильтр, то такое вещество называют растворимым, а состояние раствором.
• если вещество плавает в воде, задерживается на фильтре, то это вещество не растворимое, а состояние взвесью.

Вода настолько уникальный растворитель, что имеет самое почтительное уважение.

Сегодня мы познакомились со свойствами воды. Теперь вы знаете, что вода при нагревании расширяется, при охлаждении сжимается, при замерзании расширяется. Вы также знает, что такое испарение и конденсация и какое значение они имеют, что такое раствор и взвесь. А теперь проверим, как вы усвоили новый материал.

Самостоятельная работа по карточкам

(Дописать нужные слова вместо точек)

1. Вода при нагревании …………………………………………………………..
2. Вода при охлаждении …………………………………………………………
3. Вода при замерзании ……………………………………………………….
4. Вода кипит при температуре …………………………………………………
5. Превращение жидкой воды в газообразную- это …………………………..
6. Превращение пара в воду- это ……………………………………………….
7. Что такое раствор? ………………………………………………………………
8. Как отличить раствор от взвеси? ………………………………………………..

Работы сдаем.

На этом наш урок закончен. Всем спасибо. До свидания.

Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается

Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.
Мюриэль Мэнделл в своей занимательной книге «Phycisc Experiments for Children» излагает интереснейшие мысли о свойствах воды, на основе которых не только юные физики могут узнать немало нового, но и взрослые освежат свои знания, которые давненько не приходилось применять, поэтому они оказались слегка забытыми. Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край - это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.

1. При нагревании вода увеличивается в объеме

2. При охлаждении вода сжимается

Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения. Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…

3. …объем воды вновь возрастает при замерзании

4. Лед легче воды

5. Водопроводная вода содержит минералы

На вопрос Почему вода при охлаждении расширяется в объеме, когда другие вещества при охлаждении сжимаются? заданный автором Павел Ануфриев лучший ответ это Охлаждаясь, вода вначале ведет себя как многие другие соединения: понемногу уплотняется - уменьшает свой удельный объем. Но при 4 oС (точнее, при 3,98 °С) наступает кризисное состояние - структурная перестройка, и при дальнейшем понижении температуры объем воды уже не уменьшается, а увеличивается. При охлаждении в нормальных условиях ниже 0 °С вода кристаллизируется, образуя лед, плотность которого меньше, а объем почти на 10% больше объема исходной воды.
Увеличение объема объясняется тем, что каждая молекула в структуре льда соединена водородными связями с четырьмя другими молекулами. В результате в фазе льда образуется ажурная конструкция с “полостями” между фиксированными молекулами воды, что вызывает значительное расширение всей замерзшей массы. Кристаллическая структура льда напоминает структуру алмаза: каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра под углами, равными 109°28" (см рис.). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность. Ажурная структура льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, ниже плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре.
Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %:

В процессе таяния, при 0 °С, примерно 10-15% воды утрачивает связи с соединениями, в результате увеличивается подвижность части молекул, и они погружаются в те полости, которыми богата ажурная структура льда. Этим объясняется сжатие льда при таянии и большая по сравнению с ним плотность образующейся воды, которая возрастает примерно на 10%. Можно считать, что эта величина определенным образом характеризует количество молекул воды, попавших в полости. Плотность образующейся воды достигает максимума при температуре 4 °С, а при дальнейшем росте температуры закономерное расширение воды, связанное с усилением молекулярного движения, превосходит эффект структурной перестройки “лед-вода”, и плотность воды начинает плавно снижаться.

Ответ от 2 ответа [гуру]

Привет! Вот подборка тем с ответами на Ваш вопрос: Почему вода при охлаждении расширяется в объеме, когда другие вещества при охлаждении сжимаются?

Ответ от Placer [новичек]
Вода при охлаждении не расширяется. только после того как вода застынет и станет льдом, только после этого ее объем увееличится, за счет увеличения растояние между молекулами воды.

Ответ от Mike tiaroff [гуру]
вода тоже сжимается.. . вопрос поставлен некорректно. . вода сжимается до -4 градусов, а после этого расширяется.. . называется это фазовым переходом, а при таких переходах вещества ведут себя совершенно невообразимыми способами.. . при нагреве до 100 градусов идет расширение, а выше температура не набирается, а идет переход в пар - тоже фазовый переход.. . связи между молекулами приобретают другие свойства - в воде начинается кристаллизация...

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования - «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет - впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке - от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода - не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент - «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур - от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса - числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Рис. 2. Молекулам воды «удобнее» всего объединяться в кластеры с углом между водородными связями, равным 109,47 градуса. Такой угол называют тетраэдральным, поскольку это угол, соединяющий центр правильного тетраэдра и две его вершины. Рисунок с сайта lsbu.ac.uk

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H 2 O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x - количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями - это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Рис. 3. Шесть типичных витритов, образующих внутреннюю структуру воды. Шарики соответствуют молекулам воды, отрезки между шариками обозначают водородные связи. Витриты удовлетворяют известной теореме Эйлера для многогранников: суммарное количество вершин и граней минус количество ребер равно 2. Это означает, что витриты - выпуклые многогранники. Другие типы витритов можно посмотреть на сайте vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Рис. из статьи Masakazu Matsumoto, Akinori Baba, and Iwao Ohminea Network Motif of Water, опубликованной в журнале AIP Conf. Proc.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами - удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.