3.3. твёрда вода

3.3. 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
m
PV = RT ,
(3.16)
μ
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. 3.31 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
Рис. 3.31. Относительный объём воды в функции температуры же охлаждение со112
провождается 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 [71,72].
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.
Рисунки Гука показали, что снежинки индивидуальны, как отпечатки пальцев или рисунок сетчатки глаза у человека [83]. 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 дендри113
ты, 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.
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
114
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. На рис. 3.32 приведены значения максимальной толщины снежного покрова на европейской части России и Украины.
Рис. 3. 32. Максимальная толщина снежного покрова [85]
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.
115