RT m PV μ = 335

9.3. Твёрдая вода
Процесс перехода воды из жидкого состояние в твёрдое широко распространён. Образование из воды льда и снега встречается в природе, технике и технологиях, которыми пользуется человек с незапамятных времён. Существенная часть площади земного шара периодически покрывается снегом, а в ряде регионов, например в Арктике, Антарктике, Гренландии
и в горах, снег и лёд наблюдаются в течение всего года. Россия в этом плане, являясь самой
холодной страной, особенно хорошо знакома с этим фазовым состоянием воды.
Процесс образования льда, как и всё, что связано с водой, имеет ряд интересных особенностей. Уравнение Клапейрона − Менделеева
PV =
m
RT ,
μ
(9.7)
записанное для идеального газа, в более сложной форме справедливо и для жидкостей. Из
него, в частности, следует, что понижение температуры при постоянном давлении должно
сопровождаться уменьшением объёма. Так происходит для подавляющего большинства газообразных, жидких и твёрдых тел, кроме висмута и галлия. Вода же проявляет обратное
свойство. Всем известно, что если бутылку с водой положить в морозильную камеру, то при
замерзании воды она лопнет.
Если же случается так, что в области низких температур оказываются элементы систем
водяного отопления, в которых находится холодная вода, то последствия замерзания, становятся совсем неприятными. Их в последнее время часто, к сожалению, показывают по телевизору. Стальные трубы и чугунные радиаторы приходят в частичную или полную негодность в результате механических повреждений.
При замерзании воды плотность льда уменьшается, а объём увеличивается на 10%, чего
вполне хватает, чтобы рвать металлические конструкции. Помимо неприятностей это свойство воды люди, не зная физических тонкостей процесса, научились использовать для своих
нужд. В странах северной Европы кололи монолитные каменные глыбы, заполняя накануне
заморозков водой искусственные и естественные трещины. При замерзании воды от монолита откалывались куски камня, который при дальнейшей транспортировке и обработке использовался в строительстве.
На рис. 9.13 показана зависимость относительного объёма воды от температуры в окрестностях точки замерзания.
При понижении температуры до t = 3,98 0С вода, подобно всем другим веществам уменьшает, как и положено свой объём, дальнейшее же охлаждение сопровождается увеличением
объёма. При 0 0С объём скачкообразно увеличивается на 10% от первоначального. Вода при
этом превращается в лёд. Это, предположительно объясняется тем, что в области точки замерзания происходит рекомбинация ассоциативов, структура молекул воды изменяется, образуя гексагональные структуры. Гексагональные кристаллические структуры, представляющие собой симметричные шестигранники, в центре которых могут располагаться ионы,
атомы или молекулы.
Каждая молекула воды соединяется водородными связями с четырьмя другими. Как говорят учёные, в фазе льда молекулы образуют ажурную конструкцию с «каналами» между
фиксированными группами молекул.
Каждая молекула воды соединяется водородными связями с четырьмя другими. Как говорят учёные, в фазе льда молекулы образуют ажурную конструкцию с «каналами» между
фиксированными группами молекул.
335
Рис. 9.13. Относительный объём воды в функции температуры
Вследствие обсуждаемой аномалии природные глубокие водоёмы не промерзают по всей
глубине. Верхние слои воды, соприкасающиеся с низкотемпературной средой, охладившись
до +4 0С, достигают максимальной плотности и, не нарушая закона Архимеда, опускаются в
более глубокие горизонты, снабжая их кислородом, захваченным из атмосферы. Ушедшие с
поверхности массы воды замещаются массами, поднимающимися с глубины, которые, охладившись, снова устремляются вниз. Циркуляция воды продолжается до того момента, пока
вся поверхность воды не покроется слоем льда, который в дальнейшем предохраняет воду от
промерзания.
Вопросами замерзания воды люди начали интересоваться давно. Знаменитый астроном
Иоганн Кеплер, автор трёх основополагающих законов астрономии в 1611 г. опубликовал
работу, в которой пытался объяснить разнообразие формы снежинок, падающих зимой на
поверхность земли, обратив внимание читателей на преобладание «шестикратной симметрии». Молекулярная теория и кристаллография ещё не были созданы, поэтому Кеплер рассматривал задачу в лучших греческих традициях, путём построения логических умозаключений. Несмотря, на отсутствие теоретической базы, Кеплер сумел обнаружить признаки
симметрии и отметил их значение как для снежинок, в частности, так и для растений и живых организмов.
Интерес к снежинкам проявил и вездесущий Рене Декарт. В 1635 г. он описал формы
шести лучевых и двенадцати лучевых снежинок, обратив внимание на их удивительную
симметричность, которая, по его мнению, не может быть достигнута руками человека. Особенно озадачило Декарта, что такие совершенные формы рождаются в присутствии ветра,
который, по идее, должен был вмешиваться
в симметрию, нарушая её.
После изобретения микроскопа Роберт
Гук, тот самый, что описал упругие свойства твёрдых тел в 1665 г. опубликовал результаты микроскопических исследований
снежинок, показав графически их сложность и многообразие, обратив в очередной
раз внимание на непонятные причины разнообразия симметричных форм. Изображения, выполненные Хооком, вызвали интерес
у учёных и обывателей. После публикации
материалов сотни людей стали задумываться о причинах возникновения такой красоты.
336
Рисунки Гука показали, что снежинки индивидуальны, как отпечатки пальцев или рисунок сетчатки глаза у человека. Несмотря на многообразие форм снежинки возможно классифицировать. Для этого нужно условиться, что снежный кристалл является наименьшей
структурной единицей снежинки. В 1951 году Международная Комиссия по снегу и льду,
есть оказывается и такая, приняла достаточно простую и получившую широкое распространение классификацию твердых осадков.
Согласно предложенной системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы (или колонны), иглы, пространственные дендриты,
столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним предлагалось добавились еще три
вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
Более разветвлённая классификация осадков была предложена японским физиком Укичиро Накая, который предложил выделить 41 вид снежных осадков. Предложенная им система была еще более детализирована и расширена до 80 отдельных морфологических форм
метеорологами С. Магоно и К.В. Ли в 1966 г. На фотографиях, заимствованных в работе [84]
приведены девять характерных форм снежинок.
337
Снежинки образуются, как известно, в облаках при вполне определённых режимах
влажности, давления и температуры. Сферические частички переохлаждённой воды, находящиеся в метастабильном состоянии соприкасаются с мельчайшими кристалликами льда,
образуя упорядоченные симметричные структуры. Микрокристаллы появляются при температурах от -12 до -16 0С, однако интенсивное кристаллообразование начинается при температурах ниже -22 0С. Обнаружено, что в облаках с температурой -41 0С ещё имеются кали
переохлаждённой воды.
У поверхности льда давление насыщенных паров меньше, чем над поверхностью переохлаждённой воды. При сближении микрообъёма воды с кристалликами льда возникает
диффузионный поток молекул к ледяной поверхности. Оседая на поверхности кристалла,
молекулы воды увеличивают его размеры. Капли воды уменьшаются при этом в объёме, т.е.
испаряются. Интенсивность диффузионного потока зависит от температуры, концентрации
молекул воды и внешнего давления.
Снежный покров, образуемый снежинками, играет важную роль в процессах жизнедеятельности человека, обеспечивая влагой посевные площади и бытовые нужды человека
Особое значение величина снежного покрова и продолжительность его пребывания на
поверхности земли имеет для сельского хозяйства как с позиций сохранности от вымерзания
озимых культур, так и для накопления в почве влаги.
338