Как проявляется давление воды на молекулярном уровне?

tl;dr: Я все время слышал, как люди говорят, что «вода несжимаема… на дне океана столько же массы воды в кубическом метре, сколько и наверху». Это правда?

Ответ: это неверно. Вода полностью сжимаема. Фактически, на дне океана в кубическом метре больше массы воды, чем наверху. Просто огромные изменения давления воды могут происходить из-за крошечных изменений плотности воды.

На молекулярном уровне, при более высоком давлении, молекулы воды сближаются, а электронные облака их атомов отталкиваются друг от друга, по сути, таким же образом сжимаются твердые тела и газы.

Как проявляется давление воды на молекулярном уровне?

Второй связанный с этим вопрос: связана ли плотность воды с давлением воды или вызывается им ? Все, с кем я разговаривал, отвергают идею о том, что плотность воды существенно влияет на давление, и подчеркивают, что вода почти полностью несжимаема.

Немного интересно, если это «почти» небольшой процент, но большое дело.

Аналогичный вопрос: Молекулярное объяснение давления в воде на глубине

Вот мой сценарий: у нас есть стогаллонный цилиндрический резервуар для воды, и мы протыкаем в нем три отверстия на разной высоте, втыкаем в отверстия трубки и смотрим, как вода льется из каждой трубки, причем самая высокая трубка производит едва ли струйка, а самая низкая обеспечивает жесткое распыление. Пока все хорошо, это стандартный школьный эксперимент.

Но скажем, мы закрываем каждую трубку снаружи. Предположим далее, что трубы сделаны из невероятно прочного и несжимаемого материала и очень узкие, поэтому мы можем учитывать только горизонтальное давление и игнорировать вертикальное давление внутри трубы. Теперь давление воды будет расти внутри каждой трубки, готовой к распылению, когда мы снимем крышку.

Меня интересует физическое состояние молекул, ближайших к крышкам. Когда вы снимаете крышки, те молекулы, которые теперь подвергаются воздействию воздуха, внутри каждой пробирки идентичны с точки зрения скорости и импульса. И они почти идентичны, хотя и не абсолютно, с точки зрения плотности, что означает, что следующий слой молекул воды рядом с ними находится практически на одинаковом расстоянии в каждой из трубок.

И все же, как только крышки оторвутся, эти самые внешние молекулы воды начнут ускоряться с очень разными скоростями. Причина, насколько я понимаю, заключается в том, что ко всем близлежащим молекулам воды прилагается большая сила из-за распределенной силы тяжести на воде выше в резервуаре.

Итак, мои вопросы:

а) если вы закроете пробирки изнутри, а не снаружи, будет ли вода распыляться с разной скоростью?

б) влияет ли большая плотность при более высоком давлении на силу давления, которую испытывают близлежащие молекулы?

в) как передается сила от одной молекулы к соседней? Через ядерную близость, которая задействует слабые ядерные силы? Или электромагнитные силы? Или какая-то другая сила, которая не хочет, чтобы атомы подходили слишком близко друг к другу?

г) если б) неверно, но в) верно, потому что, если близость, как большая плотность может НЕ влиять на давление?

д) Не является ли вся причина того, что воду трудно сжимать, в том, что когда вы приближаете молекулы воды к такой близости, ваша кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, которая запасается в большем сопротивлении на атомном уровне?

f) является ли давление воды локальным явлением, подобно тому, как газы проявляют давление, чаще сталкиваясь, или это макро явление, проявляющееся в готовности столь многих молекул воды проникнуть в пространство?

ж) как массивное скопление молекул, например, в тонком, высоком цилиндре с водой, может подвергаться приложенной сверху силе, если не через какой-то наблюдаемый физический переход, такой как увеличение плотности? Существует ли длительный процесс, подобный ударной волне, с помощью которого новая приложенная сила эффективно передается всей материи, на которую она действует?

h) способ переформулировать g) состоит в том, чтобы предположить, что в тот же момент, когда мы открываем трубы в исходном примере, мы добавляем в бак еще сто галлонов воды, удаляя сепаратор в верхней части исходного резервуара. Как и когда ускорение воды в трубках будет отражать это новое гравитационное давление? Конечно, не сразу, или мы только что открыли связь со скоростью, превышающей скорость света. Таким образом, по-видимому, некоторая информация или физические изменения должны распространяться по воде, что вызывает сдвиг в поведении, отражающий большее давление. Не будет ли это четко коррелировать с увеличением плотности, даже если это несущественно? Какую форму принимает этот осмысленный переход, если не увеличение плотности?

--

Изменить: поэтому я читал ответы на этот и другие вопросы. Вот что я прихожу к пониманию, я *думаю*. ( Но обратите внимание, что по крайней мере один невероятно хорошо образованный ученый, которого я знаю, не согласен со мной. )

а) да , в основном. но только немного другие скорости, и все ниже, чем раньше; вам понадобится давление остальной воды и приток этой воды, чтобы сделать поток более жестким и непрерывным. Но плотность до укупорки сохранится, а это содержит значительную потенциальную энергию.

б) да - плотность является необходимым компонентом давления воды, и, по существу, через все более трудное увеличение плотности вода получает все большее и большее давление.

в) силовые передачи через периодические, несколько случайные вторжения пространства одного атома в пространство другого и одной молекулы в пространство другой. Это заставляет электроны сближаться и, таким образом, задействовать электромагнитные силы отталкивания, а внутри молекул сопротивление некоторых атомов компонентов атомам других молекул заставляет молекулу деформировать форму и электромагнитно сопротивляться этой деформации.

г) н/д

д) да

е) местный . эта «готовность» к течению проявляется в виде увеличения частоты и постоянства атомных вторжений в пространство других атомов. Если бы вы могли волшебным образом заставить тонкую стену из молекул воды агрессивно вторгаться в своих соседей, молекулы поблизости вели бы себя так, как если бы над этой стеной находились тонны воды, испытывающие нисходящую гравитационную силу.

ж) не могут, их нужно сделать более плотными и деформированными, узор, который распространяется волной по воде.

h) оно будет точно коррелировать с увеличением плотности, потому что именно плотность и продолжающееся движение молекул в плотном расположении фактически выражает и сохраняет измененное давление.