Вода - это феноменальный объект нашего окружения, чудесные свойства которого мы все знаем, но не замечаем их Чудесности.
Вода – самая распространённая жидкость вокруг нас, она составляет большую часть нашего организма и является основой жизни всей нашей планеты.
Удивительными в воде является её огромная теплоёмкость в сравнении с другими веществами.
Также уникальной является её огромная энергия парообразования в сравнении с другими сходными по составу веществами.
Третьим фактором является тот диапазон существования жидкой фазы воды, который совпадает с наиболее комфортными для живых существ условиями обитания.
Именно сочетание этих трёх факторов привело к той климатической благодати на планете, где мы смогли зародится, выжить и развиться до разумного состояния в крупных особях с чудовищно сложной внутренней организацией организма.
Для начала разберёмся с теплоёмкостью и энергией парообразования.
Существует устоявшееся объяснение процесса парообразования, согласно которому для выхода одной молекулы из массива жидкой фазы (или даже из твёрдой фазы – льда) окружающие молекулы передают одной молекуле некие порции энергии, за счёт мгновенного синхронного приобретения которых молекула выстреливает в атмосферу со скоростью пули из пистолета. Ведь согласно кинетической теории газов скорость молекул воздуха при +20С составляет около 500м/с, а для более лёгкой воды эта скорость и вовсе будет в районе 700м/с.
Такая «стрельба» молекулами при испарении воды особенно старанно выглядит, если оценить её численно.
Существующие уравнения состояния идеального газа (закон Бойлья-Марриотта) хорошо описывает газы при невысоких давлениях (нормальные условия) и высоких температурах. Но при высоких давлениях данный идеальный закон не позволяет описать переходы ни в жидкое, ни тем более в твёрдое состояние.
Закон Ван-дер-Ваальса пытается скорректировать несоответствия введением дополнительных множителей, подгоняя теоретическую кривую под экспериментально полученную зависимость. При этом происходит скрытый отказ от модели атома Резерфорда-Бора, так как в уравнении Ван-дер-Ваальса атом представлен твёрдым шариком, заполняющим весь объём в его внешних границах.
При этом качественно не объясняется природа взаимодействия атомов-шариков, оставляя объяснения на уровне невесомых статистических электронных оболочек над малюсеньким ядрышком, как оно и положено по модели Резерфорда-Бора.
Рис.1. Схема дейсвия сил внутри атома и между отдельными атомами. (а)-магнитное поле отдельного нуклона, (б) -магнитное поле сложенных в кольцо шести нуклонов замкнуто на соседние нуклоны, магнитное поле нуклонов за пределы кольца не выходит, (в) – полное элекростатическое поле отталкивание (одноатомный газ) от односторонне направленых диполей внутри нуклонов, (г)- неполное электростатическое поле отталкивания отдельного атома двухатомного газа , (д) – сцепка в двухатомный газ двух атомов с неполными электростатическими коронами.
В случае предлагаемой модели (с отталкиванием одноимённо заряженных поверхностей), появляется возможность рассматривать понятную статическую модель, где каждый элемент модели имеет понятное физическое воплощение и физический смысл.
Магнитное притяжение имеет свойство насыщения и график функции не имеет ухода в бесконечность даже при непосредственном контакте атомов, по этому Магнитное притяжение всегда найдёт точку равновесия с Электростатическим отталкиванием на крутом гиперболическом склоне Электростатической характеристики.
Конечно понятно, что в реальности не бывает никаких бесконечно больших сил, а есть некий предел максимальных значений ( так силы притяжения атомов можно оценить прямым замером прочности на разрыв в монокристалле вещества, а конечность сил электростатического взаимодействия определяется фиксированной энергией при аннигиляции электрона с позитроном).
Граф.1. Графики действующих сил Магнитного межатомного притяжения (а) и Сил электростатического отталкивания при разных температурах: в твёрдом веществе (б), при Т плавления (в), при расплавленном жидком состоянии (г) с межатомным зазором (г’’), критическая температура равновесия пар-жидкость (д) с касанием кривых отталкивания и притяжением в точке (д’’), перегретый пар (е). Ось R- расстояние между поверхностями внешних границ ближайших контактирующих атомов.
Уравнение Ван-дер-Ваальса рисует очень похожую картину, но не объясняет физический смысл сил притяжения и отталкивания, при этом отодвигая зону бесконечного асимптотического роста функции в недосягаемую зону центра атома. В нашем графике вертикальная ось легко пересекает графики сил, так как в качестве параметра R по горизонтали используется расстояния между наружным поверхностями твёрдых атомов, а не расстояние до их недосягаемых геометрических центров
Жидкое состояние вещества – это момент, когда при нагреве уже начался разворот Электростатических диполей на отталкивание, но это отталкивание ещё не способно разорвать связь магнитного притяжения атомов. В результате возникает между атомами небольшой зазор (г” на графике Граф.1 и Граф.2), приводящий к резкому возрастанию взаимной подвижности атомов на слое электро-магнитной «смазки».
Граф.2. Пересечение графиков сил магнитного притяжения (а) и электростатического отталкивания (г) для жидкой воды. Е вых- площадь между кривыми притяжения и отталкивании равна работе отрыва молекулы воды от остальной жидкости. Е поля газа- энергия работы поля отталкивания при расширении до удельного молярного объёма на одну молекулу.
Поверхностное натяжение. Граница раздела «жидкость-газ» характеризуется тем, что наружный слой молекул имеет не скомпенсированную тянущую силу, направленную внутрь жидкости. Эта сила направлена для наружных атомов жидкости внутрь слоя и перпендикулярно поверхности раздела «жидкость-газ». Именно эта сила сворачивает каплю в шар в состоянии невесомости. При попытке приподнять одну молекулу над общим горизонтом жидкости одинокая молекула будет немедленно втянута назад этими некомпенсированными по кругу силами магнитного притяжения. (см.рис.2.) Точно также при утоплении одной наружной молекулы ниже общего уровня поверхности возникнут дополнительные некомпенсированные силы вверх от соседних по горизонтали молекул наружного слоя. Эта взаимная стабилизация в напряжённую горизонтальную линию у внешнего слоя молекул жидкости называется – Поверхностным натяжением .Ровно такое же объяснение даётся и сейчас в физике, но только никто не объясняет природу притяжения между молекулами в жидкости.
Рис.2 Силы поверхностного натяжения в жидкости, где линии между шариками молекул показывают связи с фиксированной длиной. Препятствующие изменению расстояния между молекулами: А- в спокойном состоянии, Б- при попытке отрыва одной молекулы от поверхности, В- попытка вдавить инородное несмачиваемое тело в жидкость.
Из самой модели магнито-электрического баланса сил магнитного притяжения и электрического отталкивания и графика (граф.1) следует, что сила поверхностного натяжения уменьшается с ростом температуры и исчезает совсем при критической температуре системы «жидкость-пар» (точка Д на граф.1). Данные теоретические модельные предположения всецело подтверждаются экспериментальными данными для воды.
Энергия парообразования.
Энергия парообразования- энергия необходимая для выхода молекулы из жидкой фазы в газообразную среду и установления температурно-объёмного равновесия с газовым окружением. Энергию парообразования делится на две неравные части:
а)Работу выхода.
б) Энергию разворачивния электростатического поля отталкивания в газовой фазе.
Работа выхода- это работа по преодолению сил притяжения молекул в жидкости до момента установления равенства сил притяжения и сил отталкивания. На графике (см.граф.2) это маленькая петля со сплошной штриховкой под графиком А над графиком Г, правее расстояния зазора Г``. Работа выхода совсем невелика, и состоит она из результата суммирования тепловых колебаний соседних молекул, когда их случайное совпадение по фазе даёт суммирование энергий на одной молекуле с энергией выше энергии выхода.
Малая величина энергии выхода с поверхности жидкости хорошо объясняется подвижностью воды (любой жидкости) и лёгкостью её дробления на мельчайшие капли.
После совершения работы выхода и отрыва молекулы от поверхности воды она не получает ту гигантскую энергию парообразования (см.Граф.2., сетчатая штриховка) от воды сразу, а оказавшись на некотором отрыве от водяного слоя становится очень «холодной» молекулой газа, так как у неё нет ещё энергии для тысячекратного раскрытия своего электростатического поля до размеров по объёму равного «молярному объёму газа 22,4л/моль при стандартных условиях» с расстоянием между молеклами равными Rгаза .
Такая «молодая и холодная» молекула пара начинает интенсивный теплообмен с окружающими молекулами. Так как ближе всего оказывается слой тёплой воды с объёмной теплоёмкостью в 3500 раз большей чем у воздуха, и с теплопроводностью в 25 раз большей чем у воздуха, то естественным оказывается отбор подавляющей части «энергии парообразования» именно у только что покинутой воды. При этом отношение «Энергии парообразования (догрева)» к теплоёмкости воды составляет 2400/4,19= 570 кратное, то есть одна вылетевшая молекула воды способна охладить на 1 град.С около 570 ближайших к ней молекул жидкой воды при своём последующем подогреве до равновесной с газом температуры. При учёте тысячекратной разницы в плотности окружающего воздуха с водой получается, что одна молекула испарившейся воды выстуживает на один градус полусферу воды под собой приблизительно в половину того самого молярного объёма, приходящегося на один атом газа. Этот процесс выхолаживания ближайшей воды на подогрев только что испарённой молекулы протекает очень быстро, но не мгновенно, так как идёт на слоях с толщинами молекулярного уровня, которые определяют вполне конечную скорость теплообмена при имеющихся конечных значениях теплопроводности воды. Таким образом, можно рассчитать скорость возможного испарения воды с поверхности, ограничив её скоростью передачи тепла в объёме воды за счёт теплопроводности.
И только после полного разогрева молекулы пара до равновесной температуры (объёма) с окружающим воздухом, молекула пара способна всплывать сквозь слои воздуха и дифундировать в различные направления, выравнивая парциальное давление водяного пара по всему объёму воздуха в сосуде или в помещении.
Теплообмен водяного пара преимущественно с жидкой водой может объясняться ещё тем, что каждый газ имеет высокую избирательность спектра поглощения. При этом у разных газообразных веществ эти спектры весьма различны. Возможно, что и по причине такой избирательности спектра поглощения водяной пар может отбирать энергию только у родственной ей жидкой воды, но не у «чуждого» ей окружающего воздуха.
Интересно подсчитать какую долю энергии потратит молекула пара на расширение от объёма 0,018л в жидком виде (Н2О-имеет молярную массу 18г/моль при плотности 1г/см.куб) до молярного обёма 22,4л/моль в нормальных условиях. Работу расширения расширение будем считать с постоянным давлением 1атм=100кПа для массы воды 1кг.
22,4/0,018=1244,4л/кг=1,244м.куб/кг
работа расширения будет равна 100кПа*1,244=124,4кДж
При энергии испарения воды 2400кДж/кг понятно, что работа по оттеснению атмосферного воздуха составит всего
124,4/2400=0,0518 или 0,52%.
То есть действительно подавляющаая часть энергии парообразования зависит от работы сил электростатического отталкивания молекулы пара от самой жидкой воды, а работа по оттеснению воздуха с атмосферным давлением добавляет всего 0,052 % к общему балансу энергии.
Пограничный слой Твёрдое-Газ формируется при соприкосновении магнитносцепленного твёрдого вещества с электростатически заряжёнными атомами Газа. Атомы газа не могут оттолкнутся от твёрдого вещества с нераскрытыми электростатическими коронами атомов и оказываются прижаты к твёрдой поверхности. При этом пограничный газовый слой ещё способен отталкивать от себя другие атомы газа, так как пограничный газовый слой остаётся в нужной степени электростатически напряжённым. Подобное вжимание пограничного слоя газа (воздуха) в твёрдый металл объясняет почти мгновенное появление окислов металла на поверхности. Дальнейший контакт пограничного слоя газа осуществляется уже с твёрдой защитной плёнкой окислов на поверхности металла, защищающей от дальнейшего окисления нижележащий слой чистого металла.
Твёрдое вещество.
Твёрдое вещество возникает при остывании, когда сила электростатического отталкивания оказывается меньше силы магнитного притяжение при непосредственном контакте атомов своими внешними твёрдыми поверхностями (см.Граф.3.) Величина силы сжатия обеспечивает внутреннее трение слоёв вещества, тем самым препятствуя свободным деформациям твёрдого вещества.
Граф.3. Твёрдое состояние. Кривая (а) силы магнитного притяжения молекул, кривая (б) силы электростатического отталкивания молекул. Fсжат = Fа-Fб сила прижатия молекул друг к другу в твёрдом веществе.
Плавление вещества.
При нагреве твёрдого вещества сила сжатия между молекулами снижается и в какой то момент становится равна нулю (см.граф.4.), и этот момент с температурой Т плав. соответствует началу плавления вещества.
Граф.4. Момент плавления. Кривая (а) силы магнитного притяжения молекул, кривая (б) силы электростатического отталкивания молекул. Кривые (а) и (б) пересеклись на расстоянии Rатом, что означает равенство сил сжатия и отталкивания на таком расстоянии, то есть Fсжат = Fа-Fб=0 сила прижатия молекул друг к другу в момент плавления твёрдом веществе равна нулю.
