Наука

Через 28 років вчені зрозуміли, чому лід плаває на поверхні води

Аномалія густини: чому лід не тоне у склянці з водою

Люди звикли до «особливого» положення води серед інших речовин і часом крізь пальці дивляться на деякі «дивацтва» цієї рідини, які, нехай не відразу, але можна пояснити з наукової точки зору.

Акуратно складені предмети завжди займають менше місця — це принцип, який працює і в шафі з речами, і в краплі речовини. Атоми й молекули при переході у тверду фазу шикуються в впорядковані структури — кристалічні решітки. Речовина стає більш щільною і тоне у власній рідкій фазі. Чому тоді лід плаває на поверхні води? Чому при замерзанні вода розширюється, а її щільність зменшується, але при нижчих температурах починає все ж зростати?

У момент переходу з однієї фази в іншу речовина знаходиться в стані, коли дві фази невиразні. Цей стан описується конкретними значеннями температури й тиску і називається критичною точкою. Властивості речовини в цих умовах можуть бути незвичайними і проявлятися навіть у тих випадках, коли значення температури і тиску досить далекі від критичної точки.

У 1992 році фізики припустили, що якщо охолодити воду до температур нижче точки замерзання, але не дати їй перетворитися у лід, збільшуючи тиск, можна спостерігати дві різні фази рідкої води. Вченим частково вдалося реалізувати свою ідею на практиці, однак далеко зайти не вийшло: вода дуже швидко замерзала, а обчислювальні потужності не дозволяли провести точне моделювання процесу.

Через 28 років, на виручку прийшли швидкі і потужні дослідні комп’ютери, а також більш точні рівняння стану води. Дослідники з Принстонського університету, включаючи тих, хто стояв біля витоків формування гіпотези, провели комп’ютерне моделювання замерзання води, щоб знайти критичну точку, в якій одна рідка фаза перетворюється в іншу. У результаті вчені отримали досить просте пояснення дивацтв води, яке було опубліковано в журналі Science.

При температурі від мінус 83 до мінус 103 градусів за Цельсієм і тиску, який в 2000 разів перевищує атмосферний на рівні моря, можуть існувати дві рідкі фази води різної щільності, які знаходяться у вельми цікавій рівновазі.

В рідин з нижчою щільністю чотири молекули групуються навколо центральної п’ятої, утворюючи тетраедр. У щільнішої рідини «основний мотив візерунка» складається з шести молекул води. Як і передбачалося раніше, загальна щільність води при цьому сильно коливається, ніби фази з різною щільністю сперечаються, хто тут головний. Коли температура падає, перемагає щільніша фаза, але до тих пір, перевага за менш щільною. У земних умовах настільки низькі температури зустрічаються рідко, а значить рідка вода не встигає перейти в більш щільну фазу перед замерзанням, і лід виходить менш щільним, ніж рідка вода.

Натхнення: www.popmech.ru

Кнопка «Наверх»