Почему теплая вода тонет?

Хорошо известно, что вода при 4°С плотнее воды при 0°С. Это обычное объяснение того, почему водоем замерзает с поверхности (также это объясняется тем, что лед еще менее плотный, но это не относится к делу).

Итак, давайте рассмотрим водоем, который недавно замерз. Я представляю, что ближе всего к ледяной корке температура воды 0С, а по мере спуска температура поднимается до 4С (пока мы не подходим ко дну озера, где земля является источником тепла). Это означает, что существует градиент плотности частиц (более высокая плотность частиц на дне) и градиент температуры (наибольшая средняя кинетическая энергия частиц также находится на дне).

Но если это так, то должен быть поток молекул воды, направленный вверх.

РЕДАКТИРОВАТЬ
Согласно предложению Флориса, я привожу здесь некоторые соображения.

  • Кинетическая энергия молекулы воды при 4°С выше, чем при 0°С, на величину, соответствующую перепаду высот 200-300 метров. Можно было бы ожидать, что эта дополнительная кинетическая энергия легко преодолеет гравитационный потенциал.

  • Конечно, вышеизложенное рассматривает жидкую воду как идеальный газ, что, очевидно, неверно. Пришло объяснение, что когда молекула движется в область с более низкой плотностью частиц, она должна разрывать водородные связи и терять при этом энергию. Однако это неверно. Водородные связи являются причиной более низкой плотности воды при 0°С. Переход в область с более низкой температурой благоприятен, так как должно образовываться больше водородных связей, что снижает общую энергию.

  • Моя интуиция подсказывает, что водородные связи препятствуют движению всех молекул, теплых и холодных, и вообще препятствуют смешению, подобно тому, как две области твердого кристалла не диффундируют друг в друга. Это может позволить кластерам молекул, связанным водородными связями, вести себя как макроскопические объекты.

  • Но если водородные связи играют такую ​​роль, не должна ли энергия, полученная при перемещении в область более холодной воды, по-прежнему стимулировать перемешивание?

КОНЕЦ РЕДАКТИРОВАНИЯ

Первоначальный вопрос гласил:
Так почему же вода, кажется, подчиняется макроскопическим законам закона Архимеда, а не быстро перемешивается, как, казалось бы, предполагает микроскопический анализ?

После обсуждения в комментариях (изложенного в пунктах выше) я ищу более подробное микроскопическое описание. Хотя водородные связи явно играют здесь главную роль, как говорится в третьем пункте, есть энергия, которую можно получить, переместившись в область с более низкой температурой. Возможно, существует потенциальный барьер, который нужно преодолеть, т.е. молекуле сначала нужно разорвать некоторые связи, прежде чем двигаться и образовывать еще больше, но насколько велик тогда этот барьер?

"должен быть поток молекул воды, направленный вверх" - почему? Более плотная вода (4С) находится ниже менее плотной воды (0С). Почему возникает поток молекул воды? Кинетический аргумент (молекулы движутся быстрее) не требует, чтобы эти молекулы поднимались вверх: более прочная водородная связь «держит их внизу». Птица в клетке не парит.
@Floris рассматривает горизонтальную плоскость. Под ним плотность частиц выше, чем над ним. Тепловое движение молекул воды распределено (должно быть?) изотропно. Если снизу молекул больше, чем сверху (из-за большей плотности), то должно быть больше молекул, пересекающих поверхность снизу вверх, а затем сверху вниз.
Когда молекула перемещается из более плотной (более теплой) области в менее плотную (более холодную), она теряет энергию, потому что ей приходится разрывать некоторые водородные связи. Поэтому, когда он пересек ваш самолет, он будет медленнее. Тот же аргумент, который можно использовать для водяного пара: молекулы, покидающие жидкость, движутся относительно быстро в жидкости и теряют часть скорости на границе раздела жидкость-газ, поскольку им приходится преодолевать поверхностное натяжение. В этом случае они эффективно разрывают все водородные связи; в данном случае всего несколько.
@Floris настолько качественно, можно сказать, что каждая молекула имеет кинетическую энергию, гравитационную энергию и некоторую энергию, поступающую от водородных связей, которая является самой низкой, когда плотность частиц самая высокая, и этот последний вклад доминирует в распределении?
На самом деле я думаю, что мой аргумент не совсем правильный. Вода ниже 4°С имеет определенный порядок, из-за чего плотность уменьшается. Связи сильнее, но энтропия меньше. Я должен подумать об этом еще немного.
@Floris Странно, что ты так говоришь, потому что твой аргумент делает это совершенно ясным. Разница кинетической энергии двух молекул воды при 0°С и 4°С сравнима с разницей гравитационной потенциальной энергии на разнице высот около 200-300 метров. Единственный способ предотвратить быстрое перемешивание, который сейчас кажется мне правдоподобным, — это сделать так, чтобы перемещение в менее плотную область стоило сравнимой энергии в разорванных водородных связях.
Да, но проблема в том, что водородные связи становятся сильнее по мере приближения к 0С, вернее, их больше (о чем свидетельствует высокая удельная теплоемкость воды: она идет от 4,2 -> 1,9 кДж/кг/К). когда вы переходите от воды к пару, разница объясняется примерно 2,3 кДж / кг / К, необходимыми для разрыва связей при нагревании воды. И это все еще справедливо между 0°C и 4°C.) Так что с моим аргументом что-то не так.
@Floris Я не думаю, что имеет смысл сравнивать с водяным паром. Более полезным подходом может быть исследование C(T) в диапазоне температур от 0°C до 4°C. Вы уверены, что облигации экономят больше энергии на нижнем конце? Лед IIRC также имеет более низкую удельную теплоемкость. PS - ничего, C ниже на 4C...
Разница в 2,3 кДж/кг/К появляется во всем диапазоне жидкой воды и исчезает для льда и пара. См. эту ссылку , особенно пункт T3, для более подробного анализа. Приписывают это энергии, запасенной в водородных связях. Но есть дополнительный "порядок" ниже 4С...
@ Флорис, ты прав, все мои поиски в гугле говорят об этом. За исключением лучшего микроскопического объяснения, возможно, именно прочная связь в целом предотвращает смешивание различных областей воды, подобно тому, как две части твердого кристалла не стремятся слишком быстро диффундировать друг в друга? Я действительно надеюсь, что кто-то придумает хорошее объяснение на микроскопическом уровне.
Это действительно интересный вопрос. Я еще подумаю. Могу ли я предложить вам отредактировать вопрос, чтобы поместить некоторые из ваших рассуждений в основную часть вопроса - некоторые люди не будут читать все комментарии, которые должны быть эфемерными.
Подробнее о плотности воды .

Ответы (1)

Очень интересный вопрос.

Как вы сами написали в своем Редактировании, трудно описать воду с помощью модели идеального газа.

Вы должны ввести по крайней мере два важных усовершенствования вашего идеального газа:

  • Диполь - Диполь - Взаимодействие вместо отсутствия взаимодействия. Назовем эту пару потенциальной В г и заметим, что для двух заданных молекул В г зависит не только от расстояния, но и от угла.
  • Опишите молекулы воды как жесткие вращатели QM вместо твердых сфер.

Из-за В г предпочтение отдается определенному выравниванию молекул воды. Вращение молекул, которое увеличивается с температурой Т "работает против этого" расклада. Это состояние в среднем В г называется Keesom-Interaction . Давайте назовем это В к и обратите внимание, что В к ∝ 1 Т .

До этого момента мы представили модель, которая предсказывает качественно более сильную водородную связь и более регулярное выравнивание для более низких температур.

Теперь давайте отойдем от жидкой воды и посмотрим на лед. В этой решетке мы практически устранили вращательные степени свободы отдельных молекул (и получили по 3 моды колебаний каждой). Это означает, что если мы хотим минимизировать В г мы приводим молекулы воды в определенную структуру, и они остаются такими.

Важно понимать, что (в отличие, например, от солевых решеток) минимизация расстояния между атомами (и в макроскопическом масштабе плотности) сама по себе не минимизирует В г . Принимая угловые зависимости В г во внимание может увеличиться объем, как это происходит в случае воды/льда.

Холодная, но жидкая вода с температурой от 0° до 4° в верхних слоях вашего озера недостаточно холодна, чтобы образовать решетку, но имеет более локально упорядоченные структуры, чем вода с температурой 4° и выше. Кроме Keesom - Взаимодействия В к сильнее

Ледяная структура. Картинка из Википедии

Важно понимать, что (в отличие, например, от солевых решеток) минимизация расстояния между атомами (и в макроскопическом масштабе плотности) сама по себе не минимизирует В г . Принимая угловые зависимости В г во внимание может увеличиться объем, как это происходит в случае воды/льда.

Холодная, но жидкая вода с температурой от 0° до 4° в верхних слоях вашего озера недостаточно холодна, чтобы образовать решетку, но имеет более локально упорядоченные структуры, чем вода с температурой 4° и выше, потому что Кисом - Взаимодействие В к сильнее и важнее. Этот локальный порядок из-за В к также объясняет меньшую плотность по сравнению с водой при 4°. (Снова принимая во внимание угловую зависимость).

Теперь, после всего этого введения, что происходит с вашей молекулой воды, которая с большой скоростью движется к верхнему слою. Как вы написали, он может легко преодолеть гравитационное поле. Каким-то образом он теряет свою поступательную энергию, и теперь другие молекулы движутся и/или вращаются быстрее. Мы также можем обратить этот процесс вспять и посмотреть на медленную молекулу из слоя 0°, которая идет вниз и ускоряется в слое 4°. Макроскопически это нагревает верхний слой и охлаждает нижний до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие.

Знаменитое озеро зимой не является замкнутой системой . Вы постоянно нагреваете от пола и охлаждаете от воздуха. Это сравнимо с «нормальной жидкостью», где вы постоянно охлаждаете от пола и нагреваете от воздуха. Также в этом случае вы получите два слоя. Если нагревать и охлаждать с одинаковой скоростью, можно получить стационарное состояние, которое не меняется, хотя и не находится в равновесии.

Важным вопросом является то, что произойдет, если вы перестанете нагревать или охлаждать. Здесь ваши вопросы становятся важными и приводят к предсказанию, что вода уравновесится довольно быстро. Другими словами, мы ожидаем от воды высокой теплопроводности. Теперь, если вы посмотрите на эту таблицу . Вы получаете хорошие данные по теплопроводности. Я сделал из этого график, который делает этот момент довольно ясным, если вы помните, что красная полоса показывает среднее значение, а крайняя левая точка представляет воду:![введите здесь описание изображения

Возможно, также приятно отметить, что вещество с λ "=" 0,5 Вт м − 1 К − 1 является аммиак. Это соединение также имеет значительное диполь-дипольное взаимодействие.

Это интересный подход. Вы знаете, я всегда слышал, что аномальное тепловое расширение воды является критическим фактором для экосистем в озерах. Но судя по тому, что вы объясняете, это, видимо, не так уж и важно.
Нет, не поймите меня неправильно: аномальное тепловое расширение воды ЯВЛЯЕТСЯ критическим фактором для экосистем в озерах. Я просто пытался сосредоточиться на твоих вопросах. Если бы вода была обычной жидкостью, она бы замерзала не сверху вниз, как сейчас.
Насколько я понимаю, ваш вопрос был: Так почему же вода, кажется, подчиняется макроскопическим законам закона Архимеда, а не быстро перемешивается? Короткий ответ: он быстро уравновешивается. Но озеро представляет собой стационарную систему, а не равновесную.
Ну, я имел в виду, что плавучесть льда гораздо важнее, чем незначительная разница в плотности воды при 4 и 0 С. Но ваше объяснение предполагает, что более теплая вода была бы на дне и без более высокой плотности, т.е. Принцип тут все равно не играет большой роли. И в связанном с этим вопросе на самом деле есть некоторые данные о зависимости T от глубины в озерах, где у дна вода даже теплее 4 C.
Давайте придерживаться полностью жидкого озера. Поведение плотности воды по-прежнему важно между 0 и 4 C. Если «нормальная (по плотности) жидкость» нагревается снизу и охлаждается сверху, плотность на дне ниже. Это подразумевает большую конвекцию, а конвекция переносит намного больше тепла, чем нормальная теплопроводность. Поскольку вода имеет более высокую плотность на дне и подчиняется закону Архимеда, у вас нет (не столько) конвекции, а есть устойчивое состояние двух слоев. Так хотя сама вода имеет высокую теплопроводность.
Он имеет низкую общую теплопроводность в случае зимнего озера из-за отсутствия конвекции и из-за того, что подчиняется закону Архимеда. Это причина, по которой озера являются такой хорошей средой обитания даже зимой, и это также причина, по которой мы можем идентифицировать, например, слои.
Представьте себе обычную жидкость (например, воду с температурой от 4 до 100°С), которая нагревается снизу, как в кипящем котле. Если вы возьмете ту же жидкость и нагреете ее сверху вниз, вы снова сможете идентифицировать слои и препятствовать конвекции.
Блин! Как раз тогда, когда я думал, что вы все ясно объяснили, вы снова запутали меня. Почему жидкость подчиняется закону Архимеда? Как что-то может быть плавучим на микроскопическом уровне?
Почему теплая вода тонет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v