Კანონი იდეალური გაზი.

ექსპერიმენტული:

გაზის ძირითადი პარამეტრებია ტემპერატურა, წნევა და მოცულობა. გაზის მოცულობა არსებითად დამოკიდებულია გაზის წნევასა და ტემპერატურაზე. ამიტომ აუცილებელია გაზის მოცულობას, წნევასა და ტემპერატურას შორის კავშირის პოვნა. ეს თანაფარდობა ე.წ მდგომარეობის განტოლება.

ექსპერიმენტულად აღმოჩნდა, რომ ამისთვის მოცემული თანხაგაზი კარგი მიახლოებით, შემდეგი კავშირია: მუდმივ ტემპერატურაზე გაზის მოცულობა უკუპროპორციულია მასზე გამოყენებული წნევისა (ნახ. 1).:

V~1/P, T=const.

მაგალითად, თუ გაზზე მოქმედი წნევა გაორმაგებულია, მაშინ მოცულობა შემცირდება ორიგინალის ნახევარზე. ეს თანაფარდობა ცნობილია როგორც ბოილის კანონი (1627-1691) - მარიოტი (1620-1684), შეიძლება ასეც დაიწეროს:

ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ერთი რაოდენობა იცვლება, მეორეც შეიცვლება და ისე, რომ მათი პროდუქტი მუდმივი რჩება.

მოცულობის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე (ნახ. 2) აღმოაჩინა ჯ. გეი-ლუსაკმა. მან ეს აღმოაჩინა მუდმივი წნევის დროს, მოცემული რაოდენობის გაზის მოცულობა პირდაპირპროპორციულია ტემპერატურისა:

V~T, როდესაც P = const.

ამ დამოკიდებულების გრაფიკი გადის კოორდინატების საწყისში და, შესაბამისად, 0K-ზე მისი მოცულობა გახდება ნული, რაც აშკარად არა ფიზიკური გრძნობა. ამან გამოიწვია ვარაუდი, რომ -273 0 C მინიმალური ტემპერატურა, რომლის მიღწევაც შესაძლებელია.

გაზის მესამე კანონი, რომელიც ცნობილია როგორც ჩარლზ კანონი,ჟაკ შარლის (1746-1823) სახელობის. ეს კანონი ამბობს: მუდმივი მოცულობისას გაზის წნევა პირდაპირპროპორციულია აბსოლუტური ტემპერატურა(ნახ.3):

P ~ T, V=const.

კარგი ცნობილი მაგალითიამ კანონის ეფექტი არის აეროზოლური ქილა, რომელიც ფეთქდება ცეცხლში. ეს გამოწვეულია მუდმივი მოცულობის ტემპერატურის მკვეთრი მატებით.

ეს სამი კანონი ექსპერიმენტულია, კარგად შესრულებული ნამდვილი აირებიმხოლოდ მანამ, სანამ წნევა და სიმკვრივე არ არის ძალიან მაღალი და ტემპერატურა არ არის ძალიან ახლოს გაზის კონდენსაციის ტემპერატურასთან, ამიტომ სიტყვა "კანონი" არ არის ძალიან შესაფერისი გაზების ამ თვისებებისთვის, მაგრამ ის საყოველთაოდ მიღებულია. .

გაზის კანონები Boyle-Mariotte, Charles და Gay-Lussac შეიძლება გაერთიანდეს კიდევ ერთ ზოგად ურთიერთობად მოცულობას, წნევასა და ტემპერატურას შორის, რომელიც მოქმედებს გარკვეული რაოდენობის გაზზე:

ეს გვიჩვენებს, რომ როდესაც ერთი მნიშვნელობა P, V ან T იცვლება, დანარჩენი ორი მნიშვნელობაც შეიცვლება. ეს გამოთქმა შედის ამ სამ კანონში, როდესაც ერთი მნიშვნელობა მიღებულია მუდმივი.

ახლა უნდა გავითვალისწინოთ კიდევ ერთი რაოდენობა, რომელიც აქამდე მუდმივად მიგვაჩნია - ამ გაზის რაოდენობა. ექსპერიმენტულად დადასტურდა, რომ: მუდმივი ტემპერატურისა და წნევის დროს, გაზის დახურული მოცულობა იზრდება ამ გაზის მასის პირდაპირპროპორციულად:

ეს დამოკიდებულება აკავშირებს გაზის ყველა ძირითად რაოდენობას. თუ პროპორციულობის კოეფიციენტს შევიტანთ ამ პროპორციულობაში, მაშინ მივიღებთ თანასწორობას. თუმცა, ცდებმა აჩვენა, რომ ეს კოეფიციენტი განსხვავებულია სხვადასხვა აირებში, ამიტომ m მასის ნაცვლად შემოტანილია n ნივთიერების რაოდენობა (მოლების რაოდენობა).

შედეგად, ჩვენ ვიღებთ:

სადაც n არის მოლების რაოდენობა და R არის პროპორციულობის ფაქტორი. მნიშვნელობა R ეწოდება უნივერსალური გაზის მუდმივი.დღემდე, ყველაზე ზუსტი ღირებულებაეს მნიშვნელობა უდრის:

R=8,31441 ± 0,00026 ჯ/მოლ

ტოლობა (1) ეწოდება მდგომარეობის იდეალური გაზის განტოლება ან იდეალური აირის კანონი.

ავოგადროს ნომერი; იდეალური გაზის კანონი მოლეკულური დონე:

ის, რომ მუდმივ R-ს აქვს იგივე მნიშვნელობა ყველა გაზისთვის, ეს არის ბუნების სიმარტივის ბრწყინვალე ასახვა. ეს პირველად, თუმცა ოდნავ განსხვავებული ფორმით, გააცნობიერა იტალიელმა ამედეო ავოგადრომ (1776-1856). მან ეს ექსპერიმენტულად დაადგინა იგივე წნევისა და ტემპერატურის გაზის თანაბარი მოცულობა შეიცავს იგივე ნომერიმოლეკულები.პირველი, განტოლებიდან (1) ჩანს, რომ თუ სხვადასხვა აირები შეიცავს თანაბარი რაოდენობამოლები, აქვთ იგივე წნევა და ტემპერატურა, შემდეგ მუდმივი R-ის პირობებში ისინი თანაბარ მოცულობას იკავებენ. მეორეც: მოლეკულების რაოდენობა ერთ მოლში ერთნაირია ყველა გაზისთვის, რაც პირდაპირ გამომდინარეობს მოლის განმარტებიდან. აქედან გამომდინარე, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ R-ის მნიშვნელობა მუდმივია ყველა გაზისთვის.

მოლეკულების რაოდენობას ერთ მოლში ეწოდება ავოგადროს ნომერინ ა. ახლა დადგენილია, რომ ავოგადროს ნომერია:

N A \u003d (6.022045 ± 0.000031) 10 -23 მოლი -1

Იმიტომ რომ საერთო რაოდენობაგაზის მოლეკულები N უდრის მოლეკულების რაოდენობას ერთ მოლში გამრავლებული მოლების რაოდენობაზე (N = nN A), იდეალური გაზის კანონი შეიძლება გადაიწეროს შემდეგნაირად:

სადაც k ჰქვია ბოლცმანის მუდმივიდა აქვს მნიშვნელობა ტოლი:

k \u003d R / N A \u003d (1.380662 ± 0.000044) 10 -23 J / K

კომპრესორის ტექნოლოგიის დირექტორია

გვერდი 43

ყველაზე ხშირად პრაქტიკაში გამოიყენება სითხის მოცულობის (ვერცხლისწყლის ან ალკოჰოლის) დამოკიდებულება ტემპერატურაზე.

თერმომეტრის დაკალიბრებისას, ყინულის დნობის ტემპერატურა, როგორც წესი, აღებულია, როგორც საცნობარო წერტილი (0); მეორე ფიქსირებული წერტილი(100) განიხილეთ წყლის დუღილის წერტილი ნორმალურად ატმოსფერული წნევა(ცელსიუსი).

ვინაიდან სხვადასხვა სითხე გაცხელებისას განსხვავებულად აფართოებს, ამგვარად დადგენილი მასშტაბი გარკვეულწილად დამოკიდებული იქნება მოცემული სითხის თვისებებზე.

რა თქმა უნდა, 0 და 100°C ემთხვევა ყველა თერმომეტრს, მაგრამ 50°C არ ემთხვევა.

სითხეებისგან განსხვავებით, ყველა იშვიათი აირი გაცხელებისას ერთნაირად აფართოებს და ცვლის წნევას ტემპერატურის ცვლილებით. ამიტომ, ფიზიკაში, რაციონალური ტემპერატურის სკალის დასადგენად, გამოიყენება გარკვეული რაოდენობის იშვიათი გაზის წნევის ცვლილება მუდმივ მოცულობაზე ან გაზის მოცულობის ცვლილება მუდმივ წნევაზე.

ამ მასშტაბს ზოგჯერ უწოდებენ იდეალური გაზის ტემპერატურის სკალას.

თერმული წონასწორობის დროს საშუალო კინეტიკური ენერგია წინ მოძრაობაყველა აირის მოლეკულები ერთნაირია. წნევა პირდაპირპროპორციულია მოლეკულების მთარგმნელობითი მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგიისა: p = n

თერმული წონასწორობისას, თუ მოცემული მასის გაზის წნევა და მისი მოცულობა ფიქსირდება, გაზის მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგია მკაცრად უნდა იყოს გარკვეული ღირებულება, ასევე ტემპერატურა.

იმიტომ რომ მოლეკულების კონცენტრაცია აირის მოცულობაში n = , შემდეგ p = ან = .

აღვნიშნავთ = Θ.

Θ-ის მნიშვნელობა იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად და არაფერზეა დამოკიდებული ტემპერატურის გარდა.

გაზის წნევის პროდუქტისა და მისი მოცულობის თანაფარდობა მოლეკულების რაოდენობასთან ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე თითქმის ყველა იშვიათი გაზისთვის ერთნაირია (მსგავსია იდეალური აირის თვისებებით):

ზე მაღალი წნეხებითანაფარდობა დარღვეულია.

ამ გზით განსაზღვრულ ტემპერატურას აბსოლუტური ეწოდება.

ფორმულის საფუძველზე შემოღებულია ტემპერატურის მასშტაბი, რომელიც არ არის დამოკიდებული ტემპერატურის გასაზომად გამოყენებული ნივთიერების ბუნებაზე.

სტაციონარული დამახასიათებელი ყველაზე მნიშვნელოვანი მაკროსკოპული პარამეტრი წონასწორობის მდგომარეობანებისმიერი სხეულის ტემპერატურაა.

ტემპერატურა არის მოლეკულების ქაოტური მთარგმნელობითი მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი. სხეული.

MKT-ის ძირითადი განტოლებიდან = ფორმაში და ტემპერატურის განმარტება ფორმაში = kT მოყვება ყველაზე მნიშვნელოვანი შედეგი:

აბსოლუტური ტემპერატურა არის მოლეკულური მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი.

მოლეკულების ქაოტური მთარგმნელობითი მოძრაობის საშუალო კინეტიკური ენერგია თერმოდინამიკური (ან აბსოლუტური) ტემპერატურის პროპორციულია:

KT Þ = kT Þ == kT

რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, მით უფრო სწრაფად მოძრაობენ მოლეკულები.

k \u003d 1.38 * 10-23 J / K - ბოლცმანის მუდმივი

ბოლცმანის მუდმივი არის კოეფიციენტი, რომელიც ასახავს ტემპერატურას ხარისხის საზომი(K) ენერგიამდე (J) და პირიქით.

თერმოდინამიკური ტემპერატურის ერთეული არის K (კელვინი)

კინეტიკური ენერგია არ შეიძლება იყოს უარყოფითი. ამიტომ თერმოდინამიკური ტემპერატურაც არ შეიძლება იყოს უარყოფითი. ის ქრება, როდესაც მოლეკულების კინეტიკური ენერგია ნულდება.

აბსოლუტური ნული (0K) არის ტემპერატურა, რომლის დროსაც მოლეკულების მოძრაობა უნდა შეჩერდეს.

სიჩქარის შესაფასებლად თერმული მოძრაობამოლეკულები გაზში, ჩვენ ვიანგარიშებთ სიჩქარის საშუალო კვადრატს:

პროდუქტს kNa \u003d R \u003d 8,31 J / (mol * K) ეწოდება მოლარული აირის მუდმივი

მოლეკულების ფესვის საშუალო კვადრატული სიჩქარე:

ეს სიჩქარე ახლოსაა საშუალო და ყველაზე სავარაუდო სიჩქარესთან და იძლევა იდეას იდეალურ აირში მოლეკულების თერმული მოძრაობის სიჩქარეზე.

ამავე ტემპერატურაზე, გაზის მოლეკულების თერმული მოძრაობის სიჩქარე უფრო მაღალია, რაც უფრო დაბალია მისი M. (0 ° C-ზე, მოლეკულების სიჩქარე რამდენიმე ასეული მ / წმ)

ერთსა და იმავე წნევაზე და ტემპერატურაზე, ყველა აირის მოლეკულების კონცენტრაცია იგივეა:

KT Þ p = nkT, სადაც n = N/V არის მოლეკულების კონცენტრაცია მოცემულ მოცულობაში

ეს არის ის, სადაც ავოგადროს კანონი შემდეგია:

in თანაბარი მოცულობებიიმავე ტემპერატურისა და წნევის გაზები შეიცავს მოლეკულების ერთსა და იმავე რაოდენობას.

ცელსიუსის მასშტაბი - საცნობარო წერტილი - ყინულის დნობის ტემპერატურა 0oC, წყლის დუღილის წერტილი - 100oC

კელვინის მასშტაბი - საცნობარო წერტილი - აბსოლუტური ნული– 0 оК (-273,15 оС)

tоК = тоС -273

ფარენჰაიტის მასშტაბი - საცნობარო წერტილი - ყველაზე დაბალი ტემპერატურა, რომლის მიღებაც ფარენჰაიტმა წყლის, ყინულის და ზღვის მარილი– 0оF, ზედა საცნობარო წერტილი – ადამიანის სხეულის ტემპერატურა – 96 оF

დაზუსტება

კლაიპერონ-მენდელეევის განტოლება (აკ.10კლ.გვ.248-251)

(იდეალური გაზის განტოლება)

იდეალური აირის მოლეკულური კინეტიკური თეორიის ძირითადი განტოლება

გაზის მიკროსკოპული პარამეტრებიდან მაკროსკოპულზე გადასვლა

ლოშმიდტის მუდმივი - მნიშვნელობა და საზომი ერთეულები

იდეალური გაზის ნაწილაკებს შორის საშუალო მანძილი

იდეალური აირის მდგომარეობის განტოლება - კლაიპერონ-მენდელეევი

უნივერსალური გაზის მუდმივი

კლაიპერონ-მენდელეევის განტოლების ფიზიკური მნიშვნელობა

p \u003d n - იდეალური გაზის MKT-ის ძირითადი განტოლება

გადადით გვერდზე: 43

იაპონელმა ფიზიკოსმა Masakazu Matsumoto-მ წამოაყენა თეორია, რომელიც განმარტავს, თუ რატომ იკლებს წყალი გაფართოების ნაცვლად 0-დან 4°C-მდე გაცხელებისას. მისი მოდელის მიხედვით, წყალი შეიცავს მიკროფორმაციებს - „ვიტრიტებს“, რომლებიც ამოზნექილი ღრუ პოლიედრონებია, რომელთა წვეროებზე წყლის მოლეკულებია, წყალბადის ბმები კი კიდეებს ემსახურება. ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ორი ფენომენი ეჯიბრება ერთმანეთს: წყალბადის ბმების გახანგრძლივება წყლის მოლეკულებს შორის და ვიტრიტების დეფორმაცია, რაც იწვევს მათი ღრუების შემცირებას. ტემპერატურულ დიაპაზონში 0-დან 3,98°C-მდე, ეს უკანასკნელი ფენომენი დომინირებს წყალბადის ბმის გახანგრძლივების ეფექტზე, რაც საბოლოოდ იძლევა წყლის დაკვირვებულ შეკუმშვას. ჯერჯერობით, არ არსებობს მაცუმოტოს მოდელის ექსპერიმენტული დადასტურება - თუმცა, ისევე როგორც სხვა თეორიები, რომლებიც ხსნიან წყლის შეკუმშვას.

ნივთიერებების დიდი უმრავლესობისგან განსხვავებით, გაცხელებისას წყალს შეუძლია შეამციროს მოცულობა (ნახ. 1), ანუ აქვს უარყოფითი კოეფიციენტი. თერმული გაფართოება. თუმცა, ჩვენ ვსაუბრობთარა მთელ ტემპერატურულ დიაპაზონზე, სადაც წყალი არსებობს თხევად მდგომარეობაში, არამედ მხოლოდ ვიწრო ფართობზე - 0 ° C-დან დაახლოებით 4 ° C-მდე. როდესაც ბ შესახებმაღალ ტემპერატურაზე წყალი, ისევე როგორც სხვა ნივთიერებები, ფართოვდება.

სხვათა შორის, წყალი არ არის ერთადერთი ნივთიერება, რომელიც ტემპერატურის მატებისას იკლებს (ან გაცივებისას გაფართოებას). ბისმუტი, გალიუმი, სილიციუმი და ანტიმონი ასევე შეიძლება "ტრაბახონ" მსგავსი ქცევით. თუმცა, მისი უფრო რთული გამო შიდა სტრუქტურა, ისევე როგორც გავრცელება და მნიშვნელობა სხვადასხვა პროცესში, სწორედ წყალი იქცევს მეცნიერთა ყურადღებას (იხ. წყლის სტრუქტურის შესწავლა გრძელდება, „ელემენტები“, 09.10.2006წ.).

რამდენიმე ხნის წინ, საყოველთაოდ მიღებული თეორია, რომელიც პასუხობდა კითხვას, თუ რატომ ზრდის წყალი თავის მოცულობას ტემპერატურის კლებით (ნახ. 1), იყო ორი კომპონენტის - „ნორმალური“ და „ყინულის მსგავსი“ ნარევის მოდელი. ეს თეორია პირველად შემოგვთავაზა მე-19 საუკუნეში ჰაროლდ უაიტინგის მიერ, მოგვიანებით კი მრავალმა მეცნიერმა შეიმუშავა და გააუმჯობესა. შედარებით ცოტა ხნის წინ, აღმოჩენილი წყლის პოლიმორფიზმის ფარგლებში, გადაიფიქრა უაიტინგის თეორია. ამიერიდან ითვლება, რომ სუპერგაცივებულ წყალში არის ორი სახის ყინულის მსგავსი ნანოდომენი: მაღალი და დაბალი სიმკვრივის ამორფული ყინულის მსგავსი უბნები. ზეგაციებული წყლის გათბობა იწვევს ამ ნანოსტრუქტურების დნობას და ორი ტიპის წყლის გამოჩენას: უფრო მაღალი და დაბალი სიმკვრივით. ეს არის მზაკვრული ტემპერატურული კონკურენცია მიღებული წყლის ორ „ჯიშს“ შორის, რაც იწვევს სიმკვრივის არამონოტონურ დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე. თუმცა, ეს თეორია ჯერ არ არის ექსპერიმენტულად დადასტურებული.

ფრთხილად უნდა იყოთ ამ განმარტებით. შემთხვევითი არ არის, რომ აქ მხოლოდ სტრუქტურებია ნახსენები, რომლებიც ამორფულ ყინულს წააგავს. საქმე იმაშია, რომ ნანოსკოპიული რეგიონები ამორფული ყინულიდა მის მაკროსკოპულ კოლეგებს განსხვავებული ფიზიკური პარამეტრები აქვთ.

იაპონელმა ფიზიკოსმა მასაკაზუ მაცუმოტომ გადაწყვიტა ეპოვა ახსნა აქ განხილული ეფექტისთვის "ნულიდან", უარყო ორკომპონენტიანი ნარევის თეორია. გამოყენება კომპიუტერული მოდელირება, ჩათვალა მან ფიზიკური თვისებებიწყალში ფართო არჩევანიტემპერატურა - 200-დან 360 K-მდე ნულოვანი წნევით, მოლეკულური მასშტაბის გასარკვევად რეალური მიზეზებიწყლის გაფართოება გაციებისას. მისი სტატია ჟურნალში ფიზიკური მიმოხილვის წერილებიმას ჰქვია: რატომ ფართოვდება წყალი გაციებისას? რატომ ფართოვდება წყალი გაციებისას?

თავდაპირველად, სტატიის ავტორმა დაისვა კითხვა: რა გავლენას ახდენს წყლის თერმული გაფართოების კოეფიციენტზე? მაცუმოტო თვლის, რომ ამისთვის საკმარისია მხოლოდ სამი ფაქტორის გავლენის გარკვევა: 1) წყლის მოლეკულებს შორის წყალბადის ბმების სიგრძის ცვლილება, 2) ტოპოლოგიური ინდექსი - ბმების რაოდენობა წყლის ერთ მოლეკულაზე და 3) გადახრა. ობლიგაციებს შორის კუთხე წონასწორობის მნიშვნელობიდან (კუთხური დამახინჯება).

სანამ იაპონელი ფიზიკოსის მიერ მიღებულ შედეგებზე ვისაუბრებთ, გავაკეთებთ მნიშვნელოვანი შენიშვნებიდა განმარტებები ზემოაღნიშნულ სამ ფაქტორზე. პირველ რიგში, ჩვეული ქიმიური ფორმულაწყალი H 2 O შეესაბამება მხოლოდ მის ორთქლის მდგომარეობას. თხევადი სახით, წყლის მოლეკულები წყალბადის ბმაერთად დაჯგუფებული (H 2 O) x, სად xარის მოლეკულების რაოდენობა. წყლის ხუთი მოლეკულის ყველაზე ენერგიულად ხელსაყრელი კომბინაცია ( x= 5) ოთხი წყალბადის ბმით, რომლებშიც ყალიბდება ბმები წონასწორობა, ე. წ ტეტრაედრული კუთხე, უდრის 109,47 გრადუსს (იხ. სურ. 2).

წყლის მოლეკულებს შორის წყალბადის ბმის სიგრძის ტემპერატურაზე დამოკიდებულების გაანალიზების შემდეგ, მაცუმოტო მივიდა მოსალოდნელ დასკვნამდე: ტემპერატურის მატება იწვევს წყალბადის ბმების წრფივ გახანგრძლივებას. და ეს, თავის მხრივ, იწვევს წყლის მოცულობის ზრდას, ანუ მის გაფართოებას. ეს ფაქტი ეწინააღმდეგება დაკვირვებულ შედეგებს, ამიტომ მან შემდგომ განიხილა მეორე ფაქტორის გავლენა. როგორ არის დამოკიდებული თერმული გაფართოების კოეფიციენტი ტოპოლოგიურ ინდექსზე?

კომპიუტერულმა სიმულაციამ შემდეგი შედეგი გამოიღო. ზე დაბალი ტემპერატურაწყლის ყველაზე დიდი რაოდენობა პროცენტიუკავია წყლის მტევნები, რომლებსაც აქვთ 4 წყალბადის ბმა თითო მოლეკულაზე (ტოპოლოგიური ინდექსი არის 4). ტემპერატურის მატება იწვევს მე-4 ინდექსთან ასოცირებულთა რაოდენობის შემცირებას, მაგრამ ამავდროულად იზრდება 3 და 5 ინდექსების მქონე კლასტერების რაოდენობა. რიცხვითი გამოთვლების ჩატარების შემდეგ მაცუმოტომ აღმოაჩინა, რომ ტოპოლოგიური მტევნის ადგილობრივი მოცულობა. ინდექსი 4 პრაქტიკულად არ იცვლება ტემპერატურის მატებასთან ერთად, ხოლო 3 და 5 ინდექსებთან ასოცირებული მთლიანი მოცულობის ცვლილება ნებისმიერ ტემპერატურაზე ორმხრივად ანაზღაურებს ერთმანეთს. შესაბამისად, ტემპერატურის ცვლილება არ ცვლის წყლის მთლიან მოცულობას, რაც იმას ნიშნავს, რომ ტოპოლოგიური ინდექსი არ ახდენს გავლენას წყლის შეკუმშვაზე მისი გაცხელებისას.

რჩება წყალბადის ბმების კუთხური დამახინჯების გავლენის გარკვევა. და აქ იწყება ყველაზე საინტერესო და მნიშვნელოვანი. როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, წყლის მოლეკულები გაერთიანებულია ისე, რომ კუთხე წყალბადის ობლიგაციებს შორის არის ტეტრაედრული. თუმცა, წყლის მოლეკულების თერმული ვიბრაციები და სხვა მოლეკულებთან ურთიერთქმედება, რომლებიც არ შედის კლასტერში, ხელს უშლის მათ ამის გაკეთებაში, წყალბადის ბმის კუთხის გადახრისას წონასწორობის მნიშვნელობიდან 109,47 გრადუსი. კუთხური დეფორმაციის ამ პროცესის რაოდენობრივი დასადგენად, მაცუმოტო და სხვ., მათზე დაყრდნობით წინა სამუშაოწყალბადის ბმის ქსელის ტოპოლოგიური სამშენებლო ბლოკები წყალში, გამოქვეყნებულია 2007 წელს ჟურნალი ქიმიური ფიზიკის, წამოაყენა ჰიპოთეზა წყალში სამგანზომილებიანი მიკროსტრუქტურების არსებობის შესახებ, რომლებიც წააგავს ამოზნექილ ღრუ პოლიედრებს. მოგვიანებით, შემდგომ პუბლიკაციებში მათ უწოდეს ასეთი მიკროსტრუქტურები ვიტრიტები(ნახ. 3). მათში წვეროები არის წყლის მოლეკულები, კიდეების როლს ასრულებს წყალბადის ბმები, ხოლო წყალბადის ბმებს შორის კუთხე არის კიდეებს შორის კუთხე ვიტრიტში.

მაცუმოტოს თეორიის მიხედვით, არსებობს ვიტრიტების ფორმების უზარმაზარი მრავალფეროვნება, რომლებიც მოზაიკის ელემენტების მსგავსად ქმნიან ყველაზეწყლის სტრუქტურები და რომლებიც ამავდროულად თანაბრად ავსებენ მთელ მის მოცულობას.

წყლის მოლეკულები მიდრეკილნი არიან შექმნან ტეტრაედრული კუთხეები ვიტრიტებში, რადგან ვიტრიტებს უნდა ჰქონდეთ ყველაზე დაბალი შესაძლო ენერგია. თუმცა, თერმული მოძრაობებისა და სხვა ვიტრიტებთან ადგილობრივი ურთიერთქმედების გამო, ზოგიერთ მიკროსტრუქტურას არ აქვს გეომეტრია ტეტრაედრული კუთხეებით (ან ამ მნიშვნელობასთან ახლოს მდებარე კუთხეებით). ისინი იღებენ ისეთ სტრუქტურულად არაბალანსირებულ კონფიგურაციებს (რომლებიც მათთვის არ არის ყველაზე ხელსაყრელი ენერგეტიკული თვალსაზრისით), რაც საშუალებას აძლევს ვიტრიტების მთელ „ოჯახს“ მიიღოს. უმცირესი ღირებულებაენერგია შესაძლებელს შორის. ასეთ ვიტრიტებს, ანუ ვიტრიტებს, რომლებიც, თითქოსდა, თავს სწირავენ „საერთო ენერგეტიკულ ინტერესებს“, იმედგაცრუებულს უწოდებენ. თუ იმედგაცრუებულ ვიტრიტებში ღრუს მოცულობა მაქსიმალურია მოცემულ ტემპერატურაზე, მაშინ იმედგაცრუებულ ვიტრიტებს, პირიქით, აქვთ მინიმალური შესაძლო მოცულობა.

მაცუმოტოს კომპიუტერულმა სიმულაციებმა აჩვენა, რომ ვიტრიტის ღრუების საშუალო მოცულობა ტემპერატურის მატებასთან ერთად წრფივად მცირდება. ამავდროულად, იმედგაცრუებული ვიტრიტები საგრძნობლად ამცირებენ მათ მოცულობას, ხოლო არაფრუსტრაციული ვიტრიტების ღრუს მოცულობა თითქმის არ იცვლება.

ამრიგად, წყლის შეკუმშვა ტემპერატურის მატებასთან ერთად გამოწვეულია ორი კონკურენტული ეფექტით - წყალბადის ბმების გახანგრძლივებით, რაც იწვევს წყლის მოცულობის ზრდას და იმედგაცრუებული ვიტრიტების ღრუების მოცულობის შემცირებას. ტემპერატურულ დიაპაზონში 0-დან 4°C-მდე, ბოლო ფენომენი, როგორც ნაჩვენებია გამოთვლებით, ჭარბობს, რაც საბოლოოდ იწვევს წყლის დაკვირვებულ შეკუმშვას ტემპერატურის მატებასთან ერთად.

რჩება ლოდინი ექსპერიმენტული დადასტურებავიტრიტების არსებობა და მათი ქცევა. მაგრამ ეს, სამწუხაროდ, ძალიან რთული ამოცანაა.

მოცულობის ცვლილება ტემპერატურასთან ერთად.ნახ. 49 გვიჩვენებს წყლისა და ყინულის მოლური მოცულობის დამოკიდებულებას T-ზე (Eisenberg and Kozman, 1969). როგორც ჩანს, ტემპერატურის მატებასთან ერთად ორივე ნაერთის მოცულობა სხვადასხვანაირად იცვლება. მოცულობაში მაქსიმალური სხვაობა შეინიშნება მოცულობაში დაახლოებით მეტია ვიდრე მოცულობა At , ეს განსხვავება არის

ტემპერატურიდან დაწყებული თითქმის იგივე ხდება.

ყინულის დნობის დროს წყლის მოცულობის შემცირება I, ჩვენი აზრით, განპირობებულია იმით, რომ დნობის დროს წყალბადის ბმის ხაზებზე პროტონის ვიბრაციების გააქტიურება იწვევს როგორც თავად მოლეკულის, ისე მთლიანი დეფორმაციის ზრდას. წყალბადის ბმების სისტემა.

ბრინჯი. 49 წყლისა და ყინულის მოლური მოცულობის დამოკიდებულება და სითხის დამოკიდებულებაზე

T-სთან მოცულობების ცვლილებაში განსხვავება განისაზღვრება ატომების ატომური ვიბრაციების ამპლიტუდების ტემპერატურული დამოკიდებულებით ყინულში I ატომური ვიბრაციების ამპლიტუდების თანაფარდობაზე დნობის დროს მოცულობების თანაფარდობა დაახლოებით იგივე მნიშვნელობა აქვს.

კვლევის მიზნით ტემპერატურაზე დამოკიდებულებაწყლის მოცულობის "ანომალიური" კომპონენტი, ჩვენ ვირჩევთ წყლის მოცულობის წილადს, რომელიც განისაზღვრება მოლეკულის დეფორმაციით, ზოგადი დამოკიდებულებაწყლის მოცულობა ტემპერატურაზე. ამისათვის ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ ამ მიდამოში წყალი ჩვეულებრივი სითხევით იქცევა მუდმივი კოეფიციენტიმოცულობის გაფართოება

რომელიც ჩვენ შევაფასეთ ექსპერიმენტული მნიშვნელობის a რეგიონის ექსტრაპოლაციით მაღალი ტემპერატურა. გარდა მუდმივი კომპონენტისა, წყალში არის კიდევ ერთი კომპონენტი. 50 გვიჩვენებს ორივე კომპონენტს a. როგორც ჩანს, წყლისთვის, ნორმალური სითხეებისთვის დამახასიათებელი ტემპერატურისგან დამოუკიდებელი მუდმივის გარდა, არსებობს მოცულობის გაფართოების კოეფიციენტის უარყოფითი კომპონენტი. ტემპერატურულ დიაპაზონში მოცულობა დამოკიდებულია თითქმის წრფივად ტემპერატურაზე და შეიძლება დაიწეროს როგორც ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ მოცულობის ცვლილების ეს დამოკიდებულება ტემპერატურაზე განსაზღვრავს ნორმალურ კომპონენტს.

წყლის მოცულობის შემცირება ტემპერატურის შემცირებით ყველა ტემპერატურისთვის თხევადი მდგომარეობა. განსხვავება მოცულობის ექსპერიმენტულ მნიშვნელობებსა და მნიშვნელობებს შორის არის წყლის მოლეკულური მოცულობის ტემპერატურული დამოკიდებულების ანომალიური კომპონენტი; ამისთვის ექსპერიმენტული დამოკიდებულება, რომელიც მცირდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად წვლილი მოლეკულურ მოცულობაში, რომელიც განსაზღვრავს ანომალიურ დამოკიდებულებას მოცულობის გაფართოების კოეფიციენტი ყველგან უარყოფითია და მცირდება (აბსოლუტურ მნიშვნელობაში) ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ამრიგად, მოცულობის ექსპერიმენტული მრუდი იცვლება ტემპერატურასთან ერთად თხევადი წყალიხარისხობრივად შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ორი კომპონენტის ჯამით

ტემპერატურის დიაპაზონში

ბრინჯი. 50 წყლის მოცულობითი გაფართოების კოეფიციენტის ორი კომპონენტის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე

იზოთერმული და ადიაბატური შეკუმშვა.წყლის იზოთერმული შეკუმშვა ტემპერატურაზე ოთხჯერ მეტია, ვიდრე ყინულის იზოთერმული შეკუმშვა. ყინულისა და წყლის იზოთერმული შეკუმშვის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე ნაჩვენებია ნახ. 51 კელის (1967) მონაცემებზე დაყრდნობით. როგორც ჩანს, შეკუმშვა განიცდის მაქსიმალურ ცვლილებას წარმოდგენილი ტემპერატურის დიაპაზონში დნობის დროს.