Woda. Para – drugi stan wody. Cz.III

Jak wiadomo, wszystkie spotykane w Przyrodzie ciała tworzę trzy klasy substancji: gazowe, ciekłe i twarde. Rozumie się przy tym, że one są takie w warunkach normalnych.

 

W FTRP udało się wyodrębnić jeszcze dwa stany – stan pary i stan ciała neutronowego.

 

Ciałem neutronowym zajmę się przy okazji, a teraz skoncentruję się na wyakcentowaniu tego co wspólne i tego co różni gaz rzeczywisty i stan pary.

 

W klasycznej nauce nie robi się różnicy między gazem rzeczywistym a parą. We wszystkich podręcznikach i poradnikach para wodna pomyłkowo uważana jest za gazowy stan skupienia wody.

 

Wiadomo, że stany skupienia materii (za wyjątkiem neutronowego) są funkcją energii kinetycznej elementów jej struktury – oscylatorów. Energia ta transformuje się w różne formy ruchu oscylatorów, przejawiające się różną intensywnością w różnych stanach skupienia, co jest podstawą fazowych przejść pierwszego rzędu.

 

Porównajmy ten aspekt dla dwóch bliskich sobie stanów skupienia: gazowego i parowego, analizując formy ruchu oscylatorów gazu rzeczywistego i pary wodnej.

 

Charakterystyczną cechą budowy oscylatora gazu rzeczywistego jest jego monolitność, ponieważ składa się on albo z jednego atomu (gazy szlachetne), albo z jednej molekuły, utworzonej przez kilka atomów połączonych między sobą stykowo siłami elektrostatycznymi, pozbawiając ich jakiejkolwiek formy ruchu w objętości molekuły.

 

Oscylatory gazów rzeczywistych posiadają trzy formy ruchu: częstotliwościowy (drgania), obrotowy i błądzenia w koordynatach zajmowanej przez gaz przestrzeni. Cała energia kinetyczna oscylatora takiego gazu, za wyjątkiem energii wirowania może być opisana podstawowym równaniem superczęstotliwościowej mechaniki E = h*f = k*T = m*v*u*a, ponieważ oscylator gazu rzeczywistego nie posiada wewnętrznej energii kinetycznej, którą jemu pomyłkowo przypisuje klasyczna termodynamika.

 

Wymaga podkreślenia ten fakt, że energia wirowania oscylatora:

 

E_w = m_i*t = m_i*v²_c ;

 

Gdzie:t - stała Thompsona; v_c – stała liniowej prędkości wirowania centrum masy

 

jest wielkością niezależną od energii układu oscylatorów i dlatego udział tej energii zmniejsza się wraz ze zwiększeniem energii częstotliwościowej, osiągając od 10^-3 do 10^-5 jej wartości, i rośnie przy jej zmniejszeniu, osiągając 50-70% od pełnej kinetycznej energii oscylatora gazu rzeczywistego.

 

Wiemy, że w przyrodzie nie ma gazów doskonałych, gdyż wszystkie gazy rzeczywiste posiadają zdolność skraplania się do stanu parowego i w warunkach normalnych istnieje stan dynamicznej równowagi pomiędzy gazowymi i parowymi składnikami gazu, w którym udział stanu parowego gazu można wyrazić równaniem:

 

K_i = (1 -g_i)

 

gdzie:g_i – współczynnik kondensacji i-tego gazu w warunkach normalnych

 

Dorzecznym będzie zadać sobie pytanie: to na czym polega pryncypialna różnica między oscylatorem gazu rzeczywistego, a oscylatorem pary?

 

Otóż, oscylator pary charakteryzuje się dodatkową, czwartą formą ruchu i wewnętrzną energią kinetyczną, a bierze się to stąd, że oscylator pary nie jest molekułą i jego składniki są połączone ze sobą dystancyjnie, a nie stykowo, jak atomy w molekule, co pozwala im zachować wysoką ruchliwość względem siebie.

 

Właśnie dlatego oscylatory pary posiadają zdolność do własnego ruchu drgającego, częstotliwość którego równa jest częstotliwości oscylatora pary.

 

Jeśli drganie oscylatora pary lub cieczy przyjąć za drganie pierwszego rzędu, to drganie własne ich składników należy przyjąć za drganie "drugiego" lub "zerowego" rzędu, i właśnie tym ostatnim terminem będę się posługiwał w dalszej części tego wykładu.

 

Zerowe drgania składników oscylatora pary bazują na dwóch formach ruchu, analogicznym ruchom atomu złota w strukturze komórki krystalicznej , to jest: liniowej prędkości składnika oscylatora v_0i :

 

v_0i = f_i*2A_0i

 

gdzie: f_i*- częstotliwość drgań oscylatora pary w układzie; A_0i – amplituda drgania zerowego składnika pary

 

i jego krokowej prędkości:

 

u_0i = f_i*H_0i = f_i*A_0i*sinα₀

 

gdzie: α₀ – kątowy krok jednego okresu drgania; H_0i – liniowy krok składnika oscylatora za jeden okres.

 

Zwracam uwagę na to, że energia kinetyczna wachania zerowego nie jest opisana stałą Plancka, poniewań oddziaływanie między elementami oscylatora odbywa się nie na drodze elektrodynamicznej, jak między dwoma oscylatorami gazu lub pary, a elektrostatycznie, bez udziału elektrino-pośrednika:

 

E_0i = m₀*v_0i*u_0i ≠ h*f_0i

 

gdzie: E_0i – energia wachania zerowego elementu oscylatora masy; m₀ – jego masa.

 

Jeśli poruszać się od prostego do złożonego, to można powiedzieć, że stan skupienia pary jest pierwszym stopniem na drodze skomplikowania struktury substancji, albowiem oscylator pary składa się z dwóch lub większej ilości oscylatorów rzeczywistego gazowego stanu skupienia danej materii.

 

W rzeczywistości, oscylator pary, a w jeszcze większym stopniu oscylator cieczy, przedstawia sobą kawałek twardego ciała, kryształek danej substancji ze wszystkimi parametrami charakteryzującymi siatkę krystaliczną ciała twardego. To jest główna przyczyna tego, że stan skupienia pary nie może być przyrównany do stanu gazu rzeczywistego.

 

Oscylator pary ma strukturę zbliżoną do oscylatora cieczy, a różnica między nimi – tylko ilościowa. Oscylator pary wodnej ma wzór (H₂O)₃, podczas gdy oscylator fazy ciekłej, który dalej nazywać będziemy superoscylatorem ze względu na jego skomplikowaną strukturę - (H₂O)₃₇₆₁.

 

Nie przedstawia trudności dojść do wniosku, że superoscylatory fazy ciekłej dowolnej substancji posiadają wewnętrzną energię kinetyczną, a ich składniki – drgania zerowe.

 

Bardzo ważnym jest podkreślenie, że składniki oscylatora pary i superoscylatora fazy ciekłej posiadają tylko dwie formy ruchu, tak jak oscylatory ciał twardych, a pozbawione są ruchu wirowego, gdyż zachowują określoną orientację w przestrzenną w koordynatach oscylatora pary i superoscylatora fazy ciekłej, odpowiednio.

 

Stałość przestrzennej orientacji elementów struktury – to elementarna cecha, bez której nie może istnieć stan pary, cieczy i ciała stałego. Jednocześnie, ta ważna cecha elementów struktury wynika z nierównego rozkładu nadmiernych ładunków w koordynatach atomów i molekuł.

 

Jeśli stan pary jest pierwszym krokiem w kierunku skomplikowania struktury, to stan cieczy jest drugim krokiem na tej drodze.

 

W dalszej części tego wykładu przekonamy się, że superoscylator wody jest prawdziwym mikrokryształem układu heksagonalnego, żebro którego składa się z 15 molekuł wody.

 

Stan pary i cieczy, jak i stan gazu rzeczywistego, pozbawione są porządku wyższego rzędu, ale posiadają jednakową granularną strukturę, z liczbą koordynacyjną K = 12.

 

Oscylatorom wszystkich trzech stanów właściwe są ruchy wirowe i prędkość błądzenia granuli w koordynatach zajmowanej przez układ przestrzeni.

 

Monokryształ wody zachowuje się jednocześnie, jak oscylator gazu rzeczywistego i jak ciało krystaliczne, co warunkuje największość złożoność fizyki stanu ciekłego.

 

W istocie, ciecz jest jednocześnie i gazem rzeczywistym i ciałem stałym, i dlatego można powiedzieć, że ciecz – to gaz składający się z mikrokryształów danej substancji.

 

Na tym kończę uwagi wstępne, celem których jest przygotowanie czytelników do odbioru zaskakujących informacji, które będą treścią dalszej części wykładów.