Агрегатные состояния воды

Компьютерная модель позволяет рассмотреть микроструктуру воды в различных агрегатных состояниях.

Одно и то же вещество может находится в твердом, жидком и газообразном состояниях. Примером могут служить лед, вода и водяной пар. Эти состояния называют агрегатными.

В твердых телах молекулы совершают беспорядочные колебания около фиксированных центров (положений равновесия). Эти центры могут быть расположены в пространстве нерегулярным образом (аморфные тела) или образовывать упорядоченные объемные структуры (кристаллические тела).

В жидкостях молекулы имеют значительно большую свободу для теплового движения. Они не привязаны к определенным центрам и могут перемещаться по всему объему. Этим объясняется текучесть жидкостей. Близко расположенные молекулы жидкости также могут образовывать упорядоченные структуры, содержащие несколько молекул. Это явление называется ближним порядком в отличие от дальнего порядка, характерного для кристаллических тел.

В газах расстояния между молекулами обычно значительно больше их размеров. Силы взаимодействия между молекулами на таких больших расстояниях малы, и каждая молекула движется вдоль прямой линии до очередного столкновения с другой молекулой или со стенкой сосуда. Среднее расстояние между молекулами воздуха при нормальных условиях порядка 10–8 м, то есть в десятки раз превышает размер молекул. Слабое взаимодействие между молекулами объясняет способность газов расширяться и заполнять весь объем сосуда.

Пользователь может выбрать одно из трех агрегатных состояний воды и наблюдать особенности микроструктуры вещества в выбранном состоянии. В твердой форме (лед) для молекул воды доступны лишь вращательные и колебательные движения, поступательные движения на заметные расстояния невозможны. Наблюдается четкая кристаллическая структура льда. Обратите внимание на ориентацию молекул (атомы водорода одних молекул направлены в сторону атомов кислорода других), каждая молекула воды соединена с четырьмя ближайшими к ней другими молекулами. Образуемые при этом пустоты в структуре льда приводят к уменьшению его плотности по сравнению с жидкой водой.

В жидкой форме вода все еще существует как единое целое (сохраняет объем), расстояния между молекулами по порядку величины совпадают с размерами самих молекул. Однако возможны далекие по сравнению с этими размерами смещения молекул от своих начальных положений, из-за этого не сохраняются ни взаимные ориентации молекул, ни форма жидкости как целого.

Наконец, в газе молекулы максимально обособлены друг от друга, и длина свободного пробега молекулы гораздо больше ее размеров.