Удивительная и странная физика воды

Создано 01.12.2011 17:34

Автор: Евгений

«Нет ничего мягче и слабее воды, но все же нет ничего лучше для обработки твердых и крепких вещей».

Этот парадокс был сформулирован китайским мудрецом Лао-цзы в древнем тексте «Тао-Те-Кинг, или писание о нравственности». Действительно, способность воды омывать, успокаивать и питать контрастирует с неудержимой силой, примером этому является Ниагарский водопад, Большой каньон (он был высечен с течением веков рекой Колорадо) и цунами.

Точно так же парадоксально, что вода и крайне знакома – она составляет около двух третей нашего тела и покрывает три четверти планеты – и крайне загадочна. Хотя вам кажется, что вы ее отлично знаете, многие свойства воды вас очень удивят. А некоторые из них настолько странные, что до сих пор до конца не поняты наукой.

Гонка по нисходящей

Логично мыслящий человек предположит, что горячей воде понадобится больше времени, чтобы остудиться до температуры 0 градусов Цельсия и замерзнуть, чем холодной. Но странно то, что это не всегда правда. В 1963 году танзанийский учащийся по имени Эрасто Мпемба заметил, что в действительности горячая вода замерзает быстрее, чем холодная, когда две массы воды подвергаются воздействию одинаковых условий с температурой ниже нуля.

И никто не знает, почему.

Единственное допущение – это что эффект Мпембы появляется в результате процесса циркуляции тепла под названием конвекция. В контейнере теплая вода поднимается вверх, вытесняя холодную и создавая «утепленный верх». Ученые предполагают, что конвекция может каким-то образом ускорить процесс охлаждения, позволяя более теплой воде замерзать быстрее, чем холодной, несмотря на то, сколько ртутного столбика ей нужно преодолеть до точки замерзания.

Скользкая субстанция

Полтора века научных исследований так и не дали ответ, почему на льду можно упасть. Ученые единогласны в том, что тонкий слой жидкой воды на верху твердого льда становится причиной скользкости, а подвижность жидкости затрудняет движение, даже если лет тонкий. Но нет консенсуса относительного того, почему лед в отличие от большинства твердых веществ имеет такой слой.

Теоретики предполагают, что именно процесс скольжения, то есть контакт со льдом, заставляет таять его поверхность. Другие считают, что жидкий слой существует еще до того, как появляется скользящий предмет, и что он образуется благодаря внутреннему движению молекул поверхности.

Несомненно, вы ищете виновного, лежа на спине и кипя от злости, но, к сожалению, его еще предстоит найти.

Акванавт

На Земле кипящая вода создает тысячи крошечных пузырьков пара. В космосе же создается один гигантский колеблющийся пузырь.

Динамика жидкости столь сложна, что физики не могли предположить, что случится с кипящей водой при нулевой гравитации, пока в 1992 году не был проведен эксперимент на борту космического корабля. После этого физики решили, что упрощенный вид кипения в космосе, очевидно, связан с отсутствием конвекции и подъемной силы – оба этих явления образуются гравитацией. На Земле эти эффекты вызывают бурление, которое мы видим в чайнике.

Парящая жидкость

Когда капля воды падает на поверхность гораздо горячее ее точки кипения, она может гораздо дольше носиться по поверхности, чем вы ожидаете. Это эффект Лейденфроста, и он появляется из-за того, что когда нижний слой капли испаряется, газообразным молекулам воды в этом слое некуда деться, и их присутствие изолирует остаток капли и препятствует ее касанию горячей поверхности. Таким образом, капля существует несколько секунд до того, как полностью испариться.

Необыкновенная оболочка

Порой кажется, что вода отрицает законы физики, удерживаясь от распада, даже несмотря на попытки гравитации или даже давление тяжелых объектов разорвать ее.

Это сила поверхностного натяжения, свойство, которое делает внешний слой массы воды (и некоторых других жидкостей) вести себя, как гибкая оболочка. Поверхностное натяжение возникает из-за того, что молекулы воды слабо связаны друг с другом. Благодаря этому молекулы поверхности испытывают внутреннее усилие от молекул под ними. Вода останется целостной, пока разрывающая ее сила не превзойдет силу этих слабых связей и не прорвет поверхность.

Например, на фото выше скрепка для бумаги лежит на поверхности воды. Хотя металл плотнее воды и потому должен утонуть, поверхностное натяжение не позволяет скрепке прорвать поверхность воды.

Кипящий снег

Когда есть огромная разница температур между водой и внешним воздухом, происходит удивительный эффект – скажем, если вылить кастрюлю кипящей воды (100 градусов Цельсия) в воздух температурой минус 34 градуса Цельсия, то кипящая вода мгновенно превратиться в снег и разлетится.

Объяснение: крайне холодный воздух очень плотный, расстояние между его молекулами такое маленькое, что не остается достаточно места для переноса водяного пара. Кипящая вода, с одной стороны, очень активно испускает пар. Когда ее кидают в воздух, она распадается на капельки, из-за чего появляется еще больше пространства для распространения пара. Это представляет собой проблему. Испускается больше пара, чем может удержать воздух, и потому он распределяется, закрепляясь на микроскопических частицах в воздухе, как сода или кальций, и формирует кристаллы. Именно так и образуются снежинки.

Пустое пространство

Хотя твердое состояние почти любой субстанции плотнее, чем жидкое, так как атомы в твердых телах обычно плотно прилегают друг к другу, это не действует для Н2О. Когда вода замерзает, ее объем увеличивается на почти 8 процентов. Это странное свойство, позволяющее кубам льда и даже громадным айсбергам плавать.

Когда вода охлаждается до точки замерзания, существует меньше энергии, заставляющей молекулы скрепляться, и потому они могут формировать более прочные водородные связи со своими соседями и постепенно закрепляться. Этот же процесс заставляет все жидкости отвердевать. И, как и в других твердых телах, связи между молекулами льда действительно короче и прочнее, чем в жидкой воде; разница в том, что гексагональная структура кристаллов льда оставляет много пустого места, что делает лед в целом менее плотным, чем вода.

Избыток объема можно иногда увидеть в форме выступов на верху кубиков льда в вашей морозильной камере. Эти выступы состоят из избытка воды, выдавленной из кубика замораживающимся (и расширяющимся) льдом. В контейнере вода замерзает от боков и низа к центру и верху, и лед расширяется по направлению к центру.

Единственные в своем роде

Как говорится, нет двух одинаковых снежинок. В самом деле, за всю историю исследования снега каждая прекрасная структура была абсолютно уникальной. И вот почему: снежинка зарождается в форме простой гексагональной призмы. Во время падения она сталкивается с неповторяющимися условиями, меняющими их форму, включая разные температуры, уровни влажности и атмосферное давление. Этих переменных факторов достаточно для того, чтобы формирование кристаллов никогда не проходило дважды по одной схеме.

И что самое интересное относительно снежинок – это что все их шесть ответвлений вырастают абсолютно синхронно, создавая гексагональную симметрию, потому как каждое ответвление испытывает те же условия, что и все другие.

Откуда она?

Точное происхождение воды на нашей планете, покрывающей около 70 процентов поверхности, все еще остается загадкой для ученых. Они подозревают, что любая вода, накапливавшаяся на поверхности планеты во время ее формирования в течение 4,5 миллиардов лет, испарилась бы из-за интенсивного жара молодого Солнца. Это означает, что вода, которую мы сейчас имеем, должна была появиться позже.

Как? В течение периода под названием поздняя тяжелая бомбардировка, проходившего около 4 миллиардов лет назад, массивные объекты, возможно, из других систем падали на Землю и планеты Солнечной системы. Возможно, что такие объекты были наполнены водой, и эти столкновения могли доставить на нашу планету громадные объемы этого вещества.

Кометы – глыбы изо льда и камня с хвостами из испаряющегося льда, вращающиеся по длинным орбитам вокруг Солнца – вполне могут быть остатками того, что упало на планету. Однако есть проблема: удаленные исследования воды, испаряющейся с нескольких крупных комет, выявили, что они состоят из воды другого типа Н2О (содержат более тяжелый изотоп водорода), чем земная, потому такие кометы не могут быть источником всей нашей чудесной воды.

Источник: Lifeslittlemysteries