Почему лед не тонет в воде?
Аккуратно сложенные предметы всегда занимают меньше места — это принцип, который работает и в шкафу с вещами, и в капле вещества. Атомы и молекулы при переходе в твердую фазу выстраиваются в упорядоченные структуры — кристаллические решетки. Вещество становится более плотным и тонет в собственной жидкой фазе. Почему тогда лед плавает по поверхности воды? Почему при замерзании вода расширяется, а ее плотность уменьшается, но при более низких температурах начинает все же возрастать?
В момент перехода из одной фазы в другую вещество находится в состоянии, когда две фазы неразличимы. Это состояние описывается конкретными значениями температуры и давления и называется критической точкой. Свойства вещества в этих условиях могут быть самыми необычными и проявляться даже в тех случаях, когда значение температуры и давления довольно далеки от критической точки.
В 1992 году физики предположили, что если охладить воду до температур ниже ее точки замерзания, но не дать ей превратиться в лед, увеличивая давление, можно наблюдать две различные фазы жидкой воды. Ученым частично удалось реализовать свою идею на практике, однако далеко зайти не получилось: вода слишком быстро замерзала, а вычислительные мощности не позволяли провести точное моделирование процесса.
Спустя 28 лет, на выручку пришли быстрые и мощные исследовательские компьютеры, а также более точные уравнения состояния воды. Исследователи из Принстонского университета, включая тех, кто стоял у истоков формирования гипотезы, провели компьютерное моделирование замерзания воды, чтобы обнаружить критическую точку, в которой одна жидкая фаза превращается в другую. В результате ученые получили довольно простое объяснение странностей воды, которое было опубликовано в журнале Science.
При температуре от минус 83 до минус 103 градусов по Цельсию и давлении, в 2000 раз превышающем атмосферное на уровне моря, могут существовать две жидкие фазы воды различной плотности, которые находятся в весьма любопытном равновесии.
В жидкости с более низкой плотностью четыре молекулы группируются вокруг центральной пятой, образуя тетраэдр. В более плотной жидкости «основной мотив узора» состоит из шести молекул воды. Как и предполагалось ранее, общая плотность воды при этом сильно колеблется, будто фазы с различной плотностью спорят, кто тут главный. Когда температура падает, побеждает более плотная фаза, но до тех пор, преимущество за менее плотной. В земных условиях столь низкие температуры встречаются редко, а значит жидкая вода не успевает перейти в более плотную фазу перед замерзанием, и лед получается менее плотным, чем жидкая вода.
Еще 5 любопытных фактов о льде
- Лед обладает кристаллической структурой, в которой молекулы воды упорядочены в регулярную решётку. Это приводит к образованию характерных шестиугольных кристаллов.
- Температура плавления льда при нормальных атмосферных условиях составляет 0°C, а температура кристаллизации -0,0098°C.
- Лед обладает диэлектрическими свойствами и может использоваться в электротехнике для создания изоляционных материалов.
- В космических условиях лед встречается в различных формах, включая ледяные спутники, кометы и астероиды. Изучение льда в космосе помогает понять процессы формирования солнечной системы.
- Лед используется в криогенной технике для охлаждения, хранения и транспортировки различных веществ, включая жидкие газы и медицинские препараты.