Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

р е н и е в о д ы и к о н д е н са ц и я п а р а ); вд о л ь к р и в о й AD - в р а в н о в е си и

м е ж д у тв е р д о й и	га зо о б р а зн о й ф азам и	(су б л и м а ц и я в о д я н о го п ар а
и в о зго н к а л ь д а ).		к р и в ы х АВ, АС и AD над о
Р а в н о в е си е	ф аз п о р и с . 1 .1 вд о л ь

п о н и м а т ь к а к д и н а м и ч е ск о е р а в н о в е си е , т . е. вд о л ь э т и х к р и в ы х

ч и с л о в н о в ь	о б р а зу ю щ и х ся м о л е к у л о д н о й ф а зы стр о го р а в н о ч и с ­
л у в н о в ь о б р а зу ю щ и х ся м о л е к у л д р у го й ф азы .
Е с л и ,	н а п р и м е р ,	п о сте п е н н о о хл аж д а ть в о д у п р и л ю б о м д ав ­
л е н и и , то в	пред еле о ка ж е м ся н а л и н и и АС,		гд е б уд ет н аб л ю д ать ся
во д а п р и со о тв е т ств у ю щ и х те м п е р а ту р е и д авл ен и и . Е с л и				п о сте п е н ­
н о н агр е в а ть лед п р и		р а зл и ч н о м д ав л е н и и ,	то о ка ж е м ся	н а то й ж е
л и н и и р а в н о в е си я АС,		н о со сто р о н ы льд а. А н а л о ги ч н о б уд ем			и м е ть
во д у и во д ян о й п а р , в		за в и си м о сти о т то го ,	с к а к о й сто р о н ы		б уд ем
п о д хо д и ть к к р и в о й АВ.
У с л о в и е п е р е се ч е н и я к р и в ы х сл е д у е т и з т а к н а зы в а е м о го
п р а в и л а ф аз Г и б б с а :		F = т -п + 2,
					( 1 . 1 )
гд е F - ч и сл о сте п е н е й св о б о д ы , т. е. ч и сл о			н е за в и си м ы х п а р а м е т­

р о в , о п р е д е л я ю щ и х р а в н о в е си е с и сте м ы ; т - ч и сл о к о м п о н е н т ; п -

ч и сл о ф аз.

Д л я в о д ы , т . е. с и с т е м ы , со с то я щ е й и з о д н о й к о м п о н е н ты

(т = 1 ) и п р и о д н о й ф азе (п = 1 ), п о л у ч и м F = 2 . Э т о зн а ч и т , ч то д ля о д н о й ф а зы в о д ы м о ж н о п р о и зв о л ь н о м е н я ть д в а п а р а м е тр а

(т е м п е р а т у р у и д а в л е н и е ) и п р и э то м о д н о ф азн ая с и сте м а с о х р а н я ­ е т р а в н о в е си е . П р и д в у х ф а за х (п = 2 ) п о л у ч и м F = 1, т . е. в сл у ч а е д в у х ф аз си сте м а и м е е т о д н у ст е п е н ь св о б о д ы , о д и н н е за в и си м ы й п а р а м е тр : т е м п е р а т у р у и л и д ав л е н и е . П р и т р е х ф а за х (и = 2 ) и м е ем

F - 0, т . е. н е т н и о д н о й с т е п е н и св о б о д ы . П о э т о м у т р и ф а зы о д н о ­ в р е м е н н о м о г у т н а х о д и ть ся в р а в н о в е си и то л ь к о п р и о п р ед е л е н ­ н ы х зн а ч е н и я х те м п е р а ту р ы и д ав л е н и я .

В с е т р и к р и в ы е а гр е га тн о го со с то я н и я - АС (к р и в а я з а в и си ­ м о с т и те м п е р а ту р ы п л а в л е н и я л ьд а о т д а в л е н и я ), АВ (к р и в а я за в и ­ с и м о с т и те м п е р а ту р ы к и п е н и я в о д ы о т д а в л е н и я ), AD (к р и в а я за ­ в и с и м о с т и д а в л е н и я п а р а тв е р д о й ф а зы о т те м п е р а т у р ы ) - п е р е се ­ к а ю тся в о д н о й т о ч к е А, н о ся щ е й н а зв а н и е тр о й н о й т о ч к и . П о с о ­ в р е м е н н ы м и ссл е д о в а н и я м , зн а ч е н и я д ав л е н и я н а с ы щ а ю щ и х п ар о в и те м п е р а ту р ы в э то й т о ч к е со о тв е т ств е н н о р а в н ы : Р = 6 1 0 ,6 П а

11

(и л и 6 ,1 г П а = 4 ,5 8	м м р т . с т .), t = 0,01	° С (и л и Т= 2 7 3 , 1 6 К ). К р о ­
м е тр о й н о й т о ч к и	к р и в а я АВ п р о х о д и т	ещ е чер е з д ве х а р а к те р н ы е

т о ч к и : т о ч к у , со о т в е т с т в у ю щ у ю к и п е н и ю в о д ы п р и н о р м а л ь н о м д ав л е н и и в о зд у х а с ко о р д и н а та м и Р = 1,0 13 • 105 П а и t = 1 00 ° С , и

т о ч к у с ко о р д и н а та м и Р = 2 ,2 1 1 • 1 0 7 П а и ./ = 3 7 4 ,2 ° С , с о о т в е т с т ­

в у ю щ и м и к р и т и ч е с к о й те м п е р а ту р е -	те м п е р а ту р е , то л ь к о н и ж е
к о т о р о й в о д я н о й п ар м о ж н о п е р е в е сти	в	ж и д к о е со с то я н и е п у т е м
сж а ти я .
К р и в ы е АС, АВ, AD, о тн о ся щ и е ся	к	п р о ц е сса м п е р е хо д а в е ­

щ е ств а и з о д н о й ф азы в д р у гу ю , о п и с ы в а ю т ся у р а в н е н и е м К л а п е й ­ р о н а -К л а у з и у с а :

	dPldT = LIT(V2-V{),		(1 .2 )
гд е Т -	а б со л ю тн а я те м п е р а ту р а , о тв е ч а ю щ а я д л я к а ж д о й к р и в о й
со о тв е т ств е н н о те м п е р а ту р е		и сп а р е н и я , п л а в л е н и я , су б л и м а ц и и и
т . д .; L	- у д е л ь н а я те п л о та	со о тв е т ств е н н о	и сп а р е н и я , п л а в л е н и я ,

с у б л и м а ц и и ; V2 - V \ - р а зн о с ть у д е л ь н ы х о б ъ ем о в со о тв е т ств е н н о п р и п ер е хо д е о т в о д ы к о л ь д у , о т в о д я н о го п а р а к во д е, о т в о д я н о го п а р а к о л ь д у . П о д р о б н о е р е ш е н и е э то го у р а в н е н и я о тн о си те л ь н о

д ав л е н и я н а с ы щ е н н о го в о д я н о го п а р а е 0	н ад п о в е р х н о сть ю в о д ы -
к р и в а я АВ и л ьд а - к р и в а я AD, а та к ж е	св ед е н и я о со ста в л е н и и

р а сч е тн о й та б л и ц ы , п о м е щ е н н о й в « П с и х р о м е т р и ч е с к и х та б л и ­ ц а х » , м о ж н о н а й ти в к у р с е о б щ е й м е те о р о л о ги и Л .Т . М а тв е е в а

[3 0 ].

Н е п о ср е д ст в е н н ы й о п ы т п о к а зы в а е т , ч то п р и р о д н ы е во д ы

с у ш и п р и н о р м а л ь н о м а тм о сф е р н о м				д ав л е н и и п е р е о хл а ж д а ю тся
(к р и в а я AF н а р и с.		1 .1 ) до н е к о т о р ы х о тр и ц а те л ь н ы х зн а ч е н и й
те м п е р а ту р ы н е	к р и ста л л и зу я сь .		В	л а б о р а то р н ы х у с л о в и я х п р и
б о л ь ш о м д ав л е н	и и и	и н те н си в н о м	о х л а ж д е н и и д и сти л л и р о в а н н у ю

в о д у м о ж н о п е р е о хл а д и ть до те м п е р а ту р ы п о р я д к а - 3 0 ° С , а к а ­

п е л ь - 5 0 ° С . О т гл у б и н ы п е р е о хл а ж д е н и я в о д ы				з а в и си т и ск о р о сть
ее кр и ста л л и за ц и и . Р е зу л ь т а ты		л а б о р а то р н ы х		и ссл е д о в а н и й		л и ­
н е й н о й	ск о р о сти к р и ста л л и за ц и и		в о д ы (вд о л ь	гл а в н о й	о си	к р и ­
ст а л л а )	в за в и си м о сти о т гл у б и н ы		ее п е р е о хл а ж д е н и я п р и в е д е н ы
н а р и с .	1.2 .
Т а к и м о б р а зо м , д и а гр а м м у а гр е га т н ы х со с то я н и й в о д ы -
сп л о ш н а я л и н и я AD н а р и с . 1 . 1 -		сл е д у е т р а ссм а тр и в а ть			к а к о тн о -

12

ся щ у ю ся к о ч е н ь м а л ы м те п л о в ы м н а гр у зк а м , к о гд а в л и я н и е врем е ­ н и н а п р е о б р а зо ван и е ф азы м ало . П р и б о л ь ш и х те п л о в ы х н а гр у зк а х п р о ц е сс ф а зо в ы х п р е о б р а зо ван и й б уд ет п р о и сх о д и ть со гл а сн о ш т р и х о в о й к р и в о й AF э то го р и су н к а .

1 —Тумлирц; 2, 3, 4 —Уолтон и Джедд;	Рис. 1.3. Фазовая диаграмма воды.
5 - Хартман; 6,7 - Лилиенталь.	Jh, I I - I X - формы льда;
	1 - 8 - тройные точки
Я в л е н и е п ер е о хл а ж д е н и я	во д ы о б ъ я сн я е тся , п о -в и д и м о м у ,
те м , ч т о п р и ее к р и ста л л и за ц и и	п р о и сх о д и т и зм ен ен и е ст р у к т у р ы ,

н а ч то н е о б хо д и м о н е ко то р о е вр е м я . П р и б ы стр о м о хл аж д е н и и во д ы и зм ен ен и е ее с т р у к т у р ы н е п о сп е в а е т за те п л о в о й н а гр у з к о й и в ы ­

зв а н н ы м и е ю	и зм е н е н и я м и те м п е р а ту р ы . Э т о	о б сто я те л ь ств о и
ск а зы в а е тся н а	у с л о в и я х о б р а зо в а н и я л е д я н о го	п о к р о в а н а в о д о ­

е м а х и в о д о то к а х . С о с т о я н и е п е р е о хл а ж д е н н о й в о д ы н е у с то й ч и в о .

Д о ста то ч н о п о п а сть в т а к у ю в о д у с н е ж и н к е , п ы л и н к е и л и ее сл е гк а в с т р я х н у т ь , ч т о б ы в н е й в о зн и к л а ск а ч к о о б р а зн о кр и ста л л и за ц и я .

Т е м п е р а т у р а п л а в л е н и я л ьд а (к р и в а я АС , р и с . 1 .1 ) о ч е н ь сл а ­ бо з а в и си т о т д ав л е н и я . П р а к т и ч е с к и э т а к р и в а я п а р а л л е л ь н а го р и ­ зо н та л ь н о й о си : п р и и зм е н е н и и д а в л е н и я о т 6 1 0 ,6 до 1 ,0 1 3 ■ 1 0 5 П а те м п е р а ту р а п л а в л е н и я у м е н ь ш а е т ся в се го л и ш ь о т 0,01 до 0 ° С .

О д н ак о э т а те м п е р а ту р а п о н и ж а е тся с у в е л и ч е н и е м д ав л е н и я то л ь ­ ко д о о п р е д е л е н н о го зн а ч е н и я , за те м о н а п о в ы ш а е тся и п р и о ч е н ь в ы с о к о м д ав л е н и и д о с ти га е т зн а ч е н и я п о р я д ка 4 5 0 ° С (р и с . 1 .3).

К а к сл е д у е т и з р и с . 1 .3, п р и в ы с о к о м д авл е н и и лед м о ж е т н а х о ­

13

д и ть ся и п р и п о л о ж и те л ь н о й		те м п е р ату р е .	Н а сч и ты в а ю т д о д е сяти
р а зл и ч н ы х ф орм льд а.	Ф о р м а	л ьд а lh, д ля	к о то р о й ха р а кте р н о п о ­
н и ж е н и е те м п е р а ту р ы	п л авл е н и я с у в е л и ч е н и е м д авл е н и я , со о тв е т­
ст в у е т о б ы ч н о м у л ь д у ,	о б р а зу ю щ е м у ся в сл ед стви е зам ер зан и я во д ы

п р и н о р м а л ь н ы х у сл о в и я х . К о о р д и н а ты тр о й н ы х то ч е к р а зл и ч н ы х ф о р м льд а, о б о зн а ч е н н ы х н а р и с . 1 .3 а р а б ски м и ц и ф р ам и 1 -8 , п р и ­

вед ен ы в та б л . 1.1. С т р у к т у р а и ф и зи че ски е св о й ств а в с е х ф о р м льд а су щ е ств е н н о о тл и ч а ю тся о т л ьд а lh.

	Значения температуры и давления в тройных точках									Таблица 1.1
	_________ и плотность различных форм льда____________________
Обозна­			Тройная точка
чения	1	2	3		4		5	6		7	8
t, °С	0 ,0 1	- 2 2 ,0	-17,0		0,16		81,6	-34,7	-24,3		5,0
/ М 0“б,	0,0006106	207	346		626		2 2 0 0	213	344		2 1 0 0
Па				Форма льда
	lh	II	III		IV		V	VI	VII		VIII
Рлэ	916,8	948,9	1150		125		1360	1150		-	-
кг/м3					0
Т ве р д о е те л о		(л е д ),	к а к и	ж и д к о с ть , и сп а р я е тся					в	ш и р о к о м
д и ап азо н е зн а ч е н и й те м п е р а ту р ы					и	н е п о ср е д ств е н н о				п е р е хо д и т
в га зо о б р а зн о е со сто я н и е			(в о зг о н к а ),			м и н у я ж и д к у ю ф а зу , -					кр и в а я
AD, р и с.	1.1. О б р а тн ы й п р о ц е сс ,			т .	е.	п е р е хо д га зо о б р а зн о й					ф о р м ы
н е п о ср е д ств е н н о в		тв е р д у ю (с у б л и м а ц и я ), о су щ е ств л я е т ся									та к ж е

м и н у я ж и д к у ю ф а зу . В о з го н к а и су б л и м а ц и я л ьд а и сн е га и гр а ю т б о л ь ш у ю р о л ь в п ри р о д е .

1.2. Строение молекулы воды

В о д а п р е д ста в л я е т со б о й сл о ж н о е в е щ е ств о , о сн о в н о й с т р у к ­ ту р н о й ед и н и ц ей к о то р о го я в л я е тся м о л е к у л а Н гО , со сто я щ а я и з д в у х ато м о в в о д о р о д а и о д н о го а то м а ки сл о р о д а . С х е м в о зм о ж н о го в за и м н о го р а сп о л о ж е н и я а то м о в Н и О в м о л е к у л е Н 20 за в е сь п е ­ р и о д ее и зу ч е н и я б ы л о п р е д л о ж е н о н е ск о л ь к о д е ся тк о в ; о б щ е п р и ­ зн а н н а я в н а сто я щ е е в р е м я сх е м а п р и в е д е н а н а р и с . 1.4 .

П о л н у ю к и н е т и ч е с к у ю э н е р ги ю тр е х а то м н о й м о л е к у л ы т и п а Н гО м о ж н о о п и са ть сл е д у ю щ и м в ы р а ж е н и е м :

1 4

	гд е х, у ,	z и	ш * ,	соу,	coz	-
	ск о р о сти со о тв е т ств е н н о				п о с т у ­		Б
	п а те л ь н о го	и	в р а щ а те л ь н о го
	д в и ж е н и я м о л е к у л ы ;			l x, l y , Iz
	- м о м е н т ы и н е р ц и и м о л е к у л ы
	о т н о си те л ь н о с о о т в е т с т в у ю щ и х
	о се й в р а щ е н и я ; т - м а с с а м о л е ­
	к у л ы .
	И з у р а в н е н и я ( 1 . 3 ) в и д н о ,						Рис. 1.4. Схема строения молекулы
	ч т о п о л н а я э н е р ги я т р е х а то м н о и
							воды: геометрия молекулы
	м о л е к у л ы	т и п а	Н 20	с о с т о и т		и з
							и электронные орбиты

ш е с т и ч а ст е й , о т в е ч а ю щ и х ш е с ­

т и ст е п е н я м св о б о д ы : тр е м п о с т у п а т е л ь н ы м и тр е м в р а щ а те л ь н ы м .

И з к у р с а ф и зи к и и зв е с тн о , ч т о н а к а ж д у ю и з э т и х сте п е н е й

св о б о д ы п р и те п л о в о м р а в н о в е си и п р и х о д и т ся о д и н ак о во е к о л и ч е ­ ст в о э н е р ги и , р а в н о е 1 /2 кТ, гд е к = Rm! NА= 1,3807■ 10 23Д ж /К -

п о сто ян н ая Б ольц м ана; Т- аб со лю тн ая тем пер атур а; NA = 6 ,02 2 0 • 1023

м о л ь -1 - ч и с л о А в о га д р о ; Шл = Rm= 8 ,3 1 4 4 Д ж /(м о л ь ■ К ) - у н и ­ в е р са л ь н а я га зо в а я п о сто я н н а я . Т о гд а п о л н а я к и н е т и ч е ск а я э н е р ги я та к о й м о л е к у л ы

ЕК=6/2кТ = ЪкТ,

(1 . 4 )

а п о л н а я к и н е т и ч е ск а я э н е р ги я м о л е к у л , со д е р ж а щ и х ся в гр а м м -

м о л е к у л е л ю б о го га за (п а р а ), б у д е т р а в н а

W = NAEK=3NAkT = 3RmT.	( 1 . 5 )
П о л н а я к и н е т и ч е ск а я э н е р ги я Wсв я за н а с у д е л ь н о й те п л о е м ­
к о с т ь ю п р и п о с т о я н н о м о б ъ ем е сл е д у ю щ е й з а в и си м о сть ю :
Су = dW / dT = 3Rm .	( 1 .6 )

15

П о д сч е т у д е л ь н о й т е п л о е м к о сти п о ф о р м у л е (1 . 6 ) д ля в о д я ­

н о го п а р а д ае т зн а ч е н и е 2 5 Д ж /(м о л ь • К ). П о о п ы т н ы м д а н н ы м , д ля в о д я н о го п а р а cv =2 7,8 Д ж /(м о л ь • К ), т . е. б л и зк о к р а сч е тн о ­

м у зн а ч е н и ю . С л е д о в а те л ь н о , м о ж е м ск а за ть , ч т о м о л е к у л а Н 20

п о стр о е н а п о сх е м е р и с . 1.4.
	И зу ч е н и е м о л е к у л ы в о д ы с п о м о щ ь ю с п е к т р о гр а ф и ч е с к и х
и ссл е д о ва н и й п о зво л и л о у ста н о в и т ь ,			ч то о н а и м е е т			с т р у к т у р у к а к
б ы	р ав н о б е д р ен н о го тр е у го л ь н и к а : в		в е р ш и н е		это го	тр е у го л ь н и к а
р а сп о л о ж е н ато м ки сл о р о д а , а в о сн о в а н и и его -					д ва ато м а водорода.
У го л п р и вер ш и н е со ставл яет 104 ° 2 7			', а д л и н а сто р о н ы - 0,0 9 6 н м .
Э т и	п ар ам етр ы	о тн о ся тся к ги п о те ти ч е ск о м у		р а в н о в е сн о м у со сто я ­
н и ю	м о л е к у л ы	без ее ко л е б а н и й и в р а щ ен и й .		П р и к о л е б а н и я х д л и н а
св язе й и у го л м е ж д у н и м и м о гу т м е н я ться д о 5 - 8					% .
	Ц е н тр и н е р ц и и м о л е к у л ы (т р е у го л ь н и к а ) п р и н и м а е т ся со в ­

п а д а ю щ и м с ц е н тр о м а то м а ки сл о р о д а . Н а н е к о то р о м р а сс то я н и и

о т э то го ц е н тр а д в и ж у т ся д е сять э л е к тр о н о в : п о о д н о м у у ка ж д о го

а то м а во д о р о д а и в о се м ь у а то м а к и сл о р о д а , о б р а зу я эл е к тр о н н о е о б л а ко м о л е к у л ы во д ы . Р а д и у с э л е к тр о н н о го о б л а ка м о л е к у л ы о р и е н ти р о в о ч н о п р и н и м а ю т р а в н ы м 0 ,1 3 8 н м .

Э л е к т р о н ы д в и ж у т ся п а р а м и п о п я т и о р б и та м .

Э л е к т р о н ы

п е р в о й

п а р ы н а х о д я тся

н а

о р б и те в н е п о ср е д ств е н н о й

б л и зо сти о т

яд ра, в о се м ь о с т а л ь н ы х в р а щ а ю тся

п о

ч е т ы р е м

э к сц е н т р и ч н ы м

о р б и та м ,

о б р а зу я

в е тв и

э л е к т р о н н ы х

о б л а ко в ,

к о то р ы е я в л я ю тся

о б л а стя м и

со ср е д о то ч е н и я

д в у х п о л о ж и те л ь н ы х

и д в у х

о тр и ц а ­

те л ь н ы х зар яд о в :

п е р в ы е со зд а ю тся п р о то н а м и ,

в то р ы е -

в р а щ а ю ­

щ и м и ся п о о р б и та м э л е к тр о н а м и (с м . р и с . 1.4).

О тн о си те л ь н а я м о л е кул яр н а я м а сса Н 2О

за в и си т

о т

о тн о си ­

те л ь н о й

ато м н о й

м а ссы

ее со ста в л я ю щ и х и и м е е т р а зл и ч н ы е

зн а ч е ­

н и я , т а к к а к ки сл о р о д и

вод ород и м е ю т

и зо то п ы .

К и сл о р о д

и м е ет

ш е сть

и зо то п о в :

140 ,

150

..., 190 ,

а

вод ород

тр и : 'Н (п р о т и й ),

2Н (д е й те р и й ), 3Н

(тр и ти й ).

Н е к о то р ы е и з и зо то п о в р ад и о а кти в н ы ,

и м е ю т ко р о тко е в рем я п о л у р а сп а д а и

п р и с у т с т в у ю т в воде в н е зн а ­

ч и т е л ь н ы х к о л и ч е с тв а х ,

д р у ги е ж е п о л у ч е н ы то л ь к о и ск у сств е н н ы м

п у т е м и в п ри р о д е н е в стр е ч а ю тся .

Т а к и м о б р а зо м , п р и н и м а я во в н и м а н и е и зо то п ы ки сл о р о д а и во д о р о д а , м о ж н о со с та в и т ь и з н и х н е ск о л ь к о в и д о в м о л е к у л ы Н 20

с р а зл и ч н ы м и о тн о си те л ь н ы м и м о л е к у л я р н ы м и м а сса м и . И з н и х

16

н аи б о л е е р а сп р о стр а н е н ы м о л е к у л ы 'Н 21бО с о тн о си те л ь н ы м и м о л е ­

к у л я р н ы м и м а сса м и 18 (о б ы ч н а я во д а ) и м о л е к у л ы		2Н 21бО с о т н о си ­
те л ь н ы м и	м о л е к у л я р н ы м и м а сса м и 2 0 . П о сл е д н и е	м о л е к у л ы	о б р а ­
з у ю т т а к	н а зы в а е м у ю тя ж е л у ю во д у . Т я ж е л а я вод а п о св о и м		ф и зи ­

ч е с к и м св о й ств а м зн а ч и те л ь н о о тл и ч а е тся о т о б ы к н о в е н н о й во д ы .

1.3. Понятие о молекулярно-кинетической теории вещества и воды

С т р у к т у р а в о д ы в т р е х ее а гр е га т н ы х со с т о я н и я х ещ е н е м о ­ ж е т сч и т а т ь с я о к о н ч а те л ь н о р а зга д а н н о й . С у щ е с т в у е т р я д ги п о те з ,

о б ъ я сн я ю щ и х стр о е н и е п а р а ,	в о д ы и л ьд а.
Э т и ги п о те зы в б о л ь ш ей и л и		м е н ь ш е й	сте п е н и	о п и р а ю тся н а
м о л е кул я р н о -ки н е ти ч е ску ю те о р и ю		стр о ен и я в ещ е ства , о сн о в ы к о то ­
р о й б ы л и зал о ж е н ы ещ е М .В .	Л о м о н о со в ы м .		В св о ю	очеред ь, м о л е ­
к у л я р н о -к и н е ти ч е ска я те о р и я	и схо д и т и з п р и н ц и п о в			кл а сси ч е ско й

м е х а н и ки , в ко то р о й м о л е кул ы (а т о м ы ) р а ссм а тр и в а ю тся к а к ш а р и ки

п р а ви л ьн о й ф о р м ы , э л е к тр и ч е ски	н е й тр ал ь н ы е ,	и д еальн о у п р у ги е .
Т а к и е м о л е кул ы п о д ве р ж е н ы л и ш ь	м е х а н и ч е ск и м	со уд ар ен и ям		и н е
и сп ы т ы в а ю т н и к а к и х э л е к тр и ч е ск и х си л взаи м о д ей стви я . П о				эти м
п р и ч и н а м и сп о л ьзо в ан и е м о л е кул яр н о -ки н е ти ч е ско й те о р и и			м о ж е т
л и ш ь в п ер во м п р и б л и ж е н и и о б ъ я сн и ть стро ен и е		вещ ества.	Т е м н е

м енее м о л е кул яр н о -ки н е ти ч е ска я те о р и я и м е е т б о л ьш о е зн ачен и е для п о зн ан и я п р и р о д ы вещ ей . С ее п о м о щ ью м о ж н о в п о л н е уд о вл етво р и ­ те л ьн о о б ъ я сн и ть м н о ги е п р и р о д н ы е явл ен и я .

Г а з (в	н а ш е м сл у ч а е во д ян о й п а р ) со гл асн о м о л е кул яр н о -ки н е ­
ти ч е ск о й те	о р и и , п ре д ставл яет со б о й со б р ан и е м о л е кул . Р а ссто ян и е

м еж д у н и м и во м н о го р аз б о л ь ш е р азм еров са м и х м о л е кул . М о л е к у л ы

газа	н ахо д ятся в н е п р е р ы вн о м б есп о р яд о чн о м д в и ж е н и и , п ро б егая
п у т ь	м еж д у сте н ка м и со суд а , в ко то р о м за кл ю ч е н газ, и стал ки ваясь

д р у г с д р у го м н а это м п у т и . С о уд а р ен и я м о л е кул м е ж д у со б о й п р о и с ­

хо д я т без п о те р и	м е х а н и ч е ско й эн е р ги и ; о н и	р ассм а тр и в аю тся	к а к
со уд ар ен и я и д еально у п р у ги х ш а р и ко в . У д а р ы		м о л е кул о сте н к и	о г­
р ан и ч и в аю щ е го и х	со суд а о б у сл о в л и в а ю т д авлени е газа н а эти сте н ­

ки .' С к о р о сть д в и ж е н и я м о л е кул у ве л и ч и ва е тся с п о в ы ш е н и е м те м п е ­ р а ту р ы и у м е н ь ш а е тся с ее п о н и ж е н и е м .

Реосийекий государственный	17
гидраиетеорологйческий университет
Б И Б Л И О Т Е К А
11Й6196, СШ , Малооиинсиий ггр., 9	$

С р е д н я я к в а д р а ти ч е ск а я			с к о р о сть		д в и ж е н и я	м о л е к у л		газа ,
со гл а сн о м о л е к у л я р н о -к и н е т и ч е ск о й те о р и и ,
uKB= fiR mT/(mNA) = ^ R mT/ix,								( 1 . 7 )
гд е т - м а сса м о л е к у л ы ; ц - м о л я р н а я м а сса .
К о гд а те м п е р а ту р а газа ,			у м е н ь ш а я сь		о т более	в ы с о к и х	зн ач е ­
н и й , п р и б л и ж ае тся к те м п е р атур е ки п е н и я ж и д ко сти (д ля во д ы							100 ° С
п р и н о р м а л ь н о м	д а в л е н и и ), ск о р о сть			м о л е к у л у м е н ь ш а е тся			и	п р и
со уд а р ен и и си л ы	п р и тя ж е н и я		м е ж д у	н и м и ста н о в я тся б о л ь ш е				си л
у п р у г и х о тта л к и в а н и й п р и		сто л к н о в е н и и и			п о э то м у газ к о н д е н си р у ­
е тся в ж и д ко сть .
П р и и с к у с с т в е н н о м		сж и ж е н и и		га за	те м п е р а ту р а его д о л ж н а

б ы ть н и ж е т а к н а зы в а е м о й к р и т и ч е с к о й , к о т о р о й о т в е ч а е т и к р и ­ т и ч е ск о е д ав л е н и е (гл а в а 1, п . 1 .1 ). П р и те м п е р а ту р е в ы ш е к р и т и ­ ч е с к о й га з (п а р ) н и к а к и м д ав л е н и е м н е м о ж е т б ы ть п ер е ве д ен в ж и д к о сть .

В е л и ч и н а			RTKp /(РкрУкр) д ля в с е х га зо в , в то м ч и сл е							и д ля в о ­
д я н о го п ар а , д о л ж н а б ы ть р а в н а 8 /3 = 2 ,6 6 7 (зд е сь R - у д е л ь н а я га ­
зо в ая	п о сто я н н а я ;			Ткр, Ркр,		VKp -		со о тв е т ств е н н о	к р и ти ч е ск и е
те м п е р а ту р а ,		д ав л е н и е , о б ъ е м ).				О д н ако д ля в о д я н о го			п а р а о н а р а в ­
н а 4 ,4 6 . Э т о		о б ъ я сн я е тся те м ,				ч то в		со с та в п а р а в х о д я т		н е то л ь к о
о д и н о ч н ы е м о л е к у л ы , н о и и х ассо ц и а ц и и .
Ж и д к о сть			в	о тл и ч и е	о т	га за		п р е д ста в л я е т со б о й		с о в о к у п ­
н о с ть	м о л е к у л ,		р а с п о л о ж е н н ы х				сто л ь б л и зк о д р у г		о т д р у га , ч то
м е ж д у	н и м и	п р о я в л я ю тся			с и л ы		в за и м н о го п р и тя ж е н и я .			П о э т о м у

м о л е к у л ы ж и д к о с ти н е р а зл е та ю тся в р а зн ы е ст о р о н ы , к а к м о л е к у ­

л ы га за , а то л ь к о к о л е б л ю т ся о ко л о св о е го п о л о ж е н и я р а в н о в е си я .

В м е с т е с	те м , т а к к а к стр о е н и е ж и д к о с ти н е в п о л н е п л о тн о е , в н е й
и м е ю тся	св о б о д н ы е м е ст а - « д ы р к и » , в сл е д ств и е ч е го , п о те о р и и

Я .И . Ф р е н к е л я , н е к о то р ы е м о л е к у л ы , о б л а д аю щ и е б о л ь ш е й э н е р ­ ги е й , в ы р ы в а ю т ся и з св о е го « о се д л о го » м е ст а и ск а ч к о м п е р е м е ­ щ а ю тся в со се д н ю ю « д ы р к у » , р а сп о л о ж е н н у ю н а р а сс то я н и и , п р и ­ м е р н о р а в н о м р а зм е р у са м о й м о л е к у л ы . Т а к и м о б р а зо м , в ж и д к о ­

сти м о л е к у л ы ср а в н и те л ь н о р е д ко п е р е м е щ а ю тся		с м е ст а н а м е сто ,
а б о л ь ш у ю ч а ст ь в р е м е н и н а х о д я тся в	« о се д л о м »	со с то я н и и , л и ш ь
п р е те р п е в а я ко л е б а те л ь н ы е д в и ж е н и я .	Э т и м , в ч а с т н о с т и , о б ъ я сн я ­

18

е тся сл а б а я	д и ф ф у зи я в	ж и д к о с т я х	п о ср а в н е н и ю с		б о л ь ш о й ее
с к о р о сть ю в	га за х . П р и	н а гр е в а н и и	ж и д к о с т и э н е р ги я		ее м о л е к у л
у в е л и ч и в а е т ся , с к о р о сть		и х к о л е б а н и я		в о зр а ста е т . П р и	те м п е р а т у ­
р е 1 0 0 ° С и	н о р м а л ь н о м	а тм о сф е р н о м		д а в л е н и и в о д а р а сп а д а е тся

н а о тд е л ь н ы е м о л е к у л ы Н гО , к и н е т и ч е с к а я э н е р ги я к о т о р ы х у ж е в со с т о я н и и п р е о д о л е ть э н е р ги ю в за и м н о го п р и тя ж е н и я м о л е к у л , и

в о д а п р е в р а щ а е тся в п а р .

П р и о х л а ж д е н и и ж и д к о с ти (в о д ы ) п р о и сх о д и т о б р а тн ы й

п р о ц е сс . С к о р о с т и ко л е б а те л ь н о го д в и ж е н и я м о л е к у л у м е н ь ш а ю т ­ ся , с т р у к т у р а ж и д к о с т и с т а н о в и т с я б о л е е п р о ч н о й и ж и д к о с ть п е ­

р е х о д и т в	к р и ста л л и ч е ск о е (тв е р д о е ) со с то я н и е - лед .		Р а зл и ч а ю т
д в а в и д а	т в е р д ы х те л : к р и ста л л и ч е ск и е	и а м о р ф н ы е .	О с н о в н ы м
п р и зн а к о м к р и с т а л л и ч е с к и х те л я в л я е тся		а н и зо тр о п и я	и х св о й ств
п о р а з л и ч н ы м н а п р а в л е н и я м : те п л о в о го		р а сш и р е н и я ,	п р о ч н о сти ,

о п т и ч е с к и х и э л е к т р и ч е с к и х с в о й с т в и т . п . А м о р ф н ы е те л а и зо ­

т р о п н ы ,	т . е. о б л а д а ю т о д и н а к о в ы м и		св о й ств а м и во в с е х н а п р а в л е ­
н и я х . Л е д я в л я е тся к р и с т а л л и ч е с к и м			те л о м .	Р а зл и ч а ю т та к ж е п се в -
д о к р и ст а л л и ч е ск и е		и П се вд о ам о р ф н ы е в е щ е ств а , к о то р ы е			в р а з ­
л и ч н ы х	у с л о в и я х	о б л а д а ю т св о й ств а м и		и к р и с т а л л и ч е	с к и х и

а м о р ф н ы х те л .

В тв е р д о м те л е , в о тл и ч и е о т га за и ж и д к о с ти , к а ж д ы й а то м

и л и м о л е к у л а к о л е б л ю т ся то л ь к о о к о л о св о е го п о л о ж е н и я р а в н о ­

в е си я , н о н е п е р е м е щ а ю тся . В тв е р д о м те л е о т с у т с т в у ю т « д ы р к и » ,

в к о то р ы е м о г у т п е р е хо д и ть о тд е л ь н ы е м о л е к у л ы . П о э т о м у д и ф ­

ф у зи я в т а к и х те л а х о т с у т с т в у е т . А т о м ы , со ста в л я ю щ и е м о л е к у л ы ,

о б р а зу ю т п р о ч н у ю к р и с т а л л и ч е с к у ю р е ш е т к у , н е и зм е н н о сть к о т о ­

р о й о б у сл о в л е н а м о л е к у л я р н ы м и си л а м и . К о гд а те м п е р а ту р а тв е р ­ д о го те л а п р и б л и ж а е тся к те м п е р а ту р е п л а в л е н и я , к р и ста л л и ч е ск а я

р е ш е т к а е го р а зр у ш а е тс я и о н о	п е р е х о д и т в ж и д к о е со сто я	н и е .
В о тл и ч и е о т к р и ста л л и за ц и и ж	и д к о с те й п л а в л е н и е т в е р д ы х	те л

п р о и сх о д и т ср а в н и те л ь н о м е д л е н н о , без я в н о в ы р а ж е н н о го ск а ч к а .

К р и ст а л л и за ц и я	б о л ь ш и н с т в а	ж и д к о с те й	п р о и сх о д и т
с у м е н ь ш е н и е м о б ъ е м а ,	а п л а в л е н и е тв е р д ы х те л со п р о в о ж д а е тся

у в е л и ч е н и е м о б ъ ем а . И с к л ю ч е н и е с о с та в л я ю т во д а , су р ь м а , п а р а ­ ф и н и н е к о т о р ы е д р у ги е в е щ е ств а , у к о т о р ы х тв е р д а я ф аза м ен ее

п л о тн а я , ч е м ж и д кая .

19

1.4. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях

Краткое изложение в предыдущем разделе отдельных поло­ жений молекулярно-кинетической теории строения вещества по­ зволяет понять некоторые физические процессы, происходящие

вводе во всех трех ее агрегатных состояниях, но не может объяс­ нить многие ее основные свойства и аномалии. Эту задачу можно решить лишь с использованием разных гипотез о строении воды. На создание теории молекулярной структуры воды, объясняющей

еесвойства, направляли свои усилия многие авторы. Но удиви­ тельным оказалось то, что предложенные ими фундаментально различные модели структуры воды одинаково хорошо описывают некоторые ее свойства. Это обстоятельство представляет большую трудность при выборе модели и, прежде всего, для эксперимента­ тора. Поэтому проблема оценки структуры воды пока остается од­ ной из самых сложных. Рассмотрим кратко две обобщенные гипо­ тезы о структуре воды, получившие наибольшее признание, одна -

вначальный период развития учения о структуре воды, другая -

внастоящее время.

Согласно гипотезе, предложенной Уайтингом (1883 г.) и имеющей к настоящему времени различные интерпретации, ос­ новной строительной единицей водяного пара является молекула НоО, называемая гидроль, или моногидроль. Основной строитель­ ной единицей воды является двойная молекула воды (Н2 0 ) 2 - дигидроль; лед же состоит из тройных молекул (Н2 0 ) 3 - тригидроль.

На этих представлениях основана так называемая гидрольная тео­ рия структуры воды.

Водяной пар, согласно этой теории, состоит из собрания про­ стейших молекул моногидроля и их ассоциаций, а также из незна­ чительного количества молекул дигидроля. О наличии ассоцииро­ ванных молекул в водяном паре было сказано раньше. Кроме того, среди моногидрольных молекул водяного пара должны встречать­ ся изотопные молекулы, обусловленные наличием изотопов водо­ рода и кислорода.

Вода в жидком виде представляет собой смесь молекул мо­ ногидроля, дигидроля и тригидроля. Соотношение числа этих мо­ лекул в воде различно и зависит от температуры. Согласно этой

20