Парадоксы замерзающей воды

Вся книга "Парадоксы воды и их решения": http://proza.ru/2026/01/27/1920


Без разрешения парадоксов нет пути к простой и логичной картине мира.  Так уж, видимо, устроены люди, что без такой картины в головах им плохо и неуютно жить в таком мире, в котором всё непостижимо сложно и непонятно. Говорят, один древний грек даже умер от огорчения, не справившись с решением всего лишь одного парадокса. Были же люди...

Прямо сейчас будем решать сразу четыре известных парадокса: вода расширяется при охлаждении от +4 до 0 градусов Цельсия (это считается аномальным или чудесным свойством воды); лишенная малейшей возможности к расширению вода при охлаждении создаёт очень большое давление, оставаясь при этом водой;  парадокс мгновенного замерзания переохлажденной в пластиковой бутылке воды при её встряхивании (тут сразу два парадокса - незамерзание воды при морозе в -18 и её мгновенное, как по команде, замерзание); и горячая вода при всех прочих равных условиях может замерзнуть раньше холодной (это известный парадокс Аристотеля-Мпембы). 

Кинетическая теория теплоты и давления не сможет объяснить эти парадоксы никогда. Но мы эту теорию научной уже не считаем и знаем другие определения и давления, и теплоты: давление в воде и в воздухе - это напряжение взаимного отталкивания равноудаленных вибрирующих частиц; а теплота - это то, что существует только в виде индукционных атомных квантов. Этими квантами вибрирующие и удалённые друг от друга частицы словно дёргают друг друга, побуждая друг друга к синхронности внутратомных и атомных движений. Так осуществляется индуктивный теплообмен, который прекрасно работает на расстоянии и не допускает сталкиваний атомов и молекул. А теплообмен путём абсолютно упругих столкновений хаотических частиц придумали теоретики. Они-то и свернули с пути логичного познания мира и наплодили парадоксов.

Несколько парадоксов воды разрешил Архимед, когда объяснением плавания в воде и в воздухе "малых твёрдых тел", опроверг теорему Демокрита о невесомости хаосов (Демокрит считал воздух невесомыми хаосом). Сейчас мы представления Архимеда о воде и воздухе как о кристаллических веществах, сдавленными нарастающим книзу давлением сверху, просто превратим в очевидность.

Наполним пустой аквариум шариками для пинг-понга. Это и есть "вода Архимеда", то есть простейшая модель воды, состоящей из равноудаленных частиц, между которыми есть сообщающиеся между собой пространства (или пазухи) , заполненные воздухом. Природная вода - это тоже смесь воздуха и воды, в которой, например, живут и дышат кожей земноводные.

Наполним пустой аквариум обычной водой. Через какое-то время в   "атмосфере воды" будет 35 % кислорода, тогда как в воздухе над ним кислорода всего 21 %.  Этот факт говорит о том, что кислород не растворяется в воде и даже не диффундирует в воду, а просто входит в неё, как в открытые двери, вместе с азотом. При этом более тяжёлые молекулы кислорода (32 а. е.  против 28) частично вытесняют более лёгкие молекулы азота.

При охлаждении вода словно делает вдох, а при нагревании - выдох. Это объясняется тем, что способность атомов и молекул к движению взаимного отталкивания пропорциональна температуре, то есть интенсивности внутратомных и атомных движений. Воздух "атмосферы воды" расширяется и часть его просто выходит из воды. Это раз.

Во-вторых, при нагревании расширяются и сами кластеры, состоящие из множества молекул Н-О-Н. Это может быть причиной того, что воздушные пазухи между ними могут уменьшаться, и воздух из воды может как бы выжиматься.

Если пазухи между шариками воды заполнены растворенными солями, то воздуха в такой воде может не быть вообще. Тут уместен пример Мёртвого моря. Но мы, кажется, отвлеклись.

Заполним аквариум шариками для пинг-понга и переместим их в отдельную тару.  Теперь снова будем наполнять аквариум шариками из тары, но только каждый шарик каждого верхнего ряда будем располагать точно над каждым шариком каждого нижнего ряда. Это у нас получится сделать только с помощью вертикальных палочек или трубочек. При этом мы заметим, что все шарики из тары в аквариуме уже не помещаются. Вот примерно так же вода расширяется при замерзании. Плотность льда меньше плотности воды примерно на 1/10.

Первый наш парадокс (расширение воды при охлаждении  от +4 до 0) уже объясняется проще простого: частичная структурная перестройка частиц воды в структуру льда ("фазовый переход") начинается при охлаждении воды  от 4 и ниже градусов. То есть в воде появляются микроскопические пластинки льда, плотность которых меньше плотности воды.

Учёные изучают воду в лабораторных условиях. Они наливают воду, скажем, в пробирку с рисками и ставят её в морозильник. При этом вода у них охлаждается со всех сторон. Микроскопические частицы льда в толще воды они не видят (в воде не видно даже бесцветную рыболовную леску), а расширение воды они могут заметить по рискам на пробирке. Вот и всё объяснение парадокса расширения воды при охлаждении от +4 до 0 градусов Цельсия.

В естественных водоёмах вода при похолоданиях интенсивно охлаждается сверху, поэтому лёд образуется на поверхности воды, а не на дне. Тут никакое всплытие охлажденных и менее потных частиц или слоёв придумывать не надо.

Второй наш парадокс: при лишении воды возможности к расширению она при охлаждении может создавать очень высокое давление, оставаясь при этом водой. То есть наполняем прочный сосуд водой, завинчиваем пробку и ставим сосуд в морозилку. Через какое-то время слышим резкий звук и видим вытекающую из лопнувшего сосуда воду, которая тут же превращается в лёд.

Наполняем аквариум стальными шариками. Шарики своим весом давят друг на друга и с такой же силой отталкиваются друг от друга. Это взаимное отталкивание условно неподвижных вибрирующих частиц мы и называем и напряжением взаимного отталкивания равноудаленных частиц, и давлением в жидкостях и в газах.

Давление шариков на стенки аквариума равно суммарному напряжению взаимного отталкивания, то есть все частицы участвуют в создании этого давления (шарики для пинг-понга давили на стенки аквариума гораздо слабее). Все - значит, каждая. Теперь возьмём один стальной шарик и с некоторой высоты уроним в аквариум. Тут есть большая вероятность того, что стеклянные стенки аквариума разлетятся в дребезги.  Одна частица стала причиной увеличения и напряжения и давления в аквариуме.

Что является причиной создания высокого давления водой, охлажденной до порога замерзания? Думается, ответ тут очевиден: высокое давление (или высокое напряжение взаимного отталкивания) частицы воды создают своим стремлением занять своё место в гексагональный (шестиугольной) структуре льда.

Нам может казаться, что вода мягкая, но... Смочите этой "мягкой" водой сухие деревянные клинья, вбитые в расщелины скалы... и частицы воды своим стремлением занять своё место в структуре древесины порвут гранитную скалу. Кстати, это тоже был парадокс, который кинетическая теория не смогла бы объяснить никогда.

Можно в мороз налить воду в расщелину скалы, а летом вбить в неё сухие клинья и полить водой, результат будет аналогичный.  Это людям известно со времен неолита.

Третий наш парадокс - парадокс мгновенного замерзания переохлажденной воды. То есть наливаем в пластиковую бутылку воду и выносим её на мороз или оставляем на ночь в салоне автомобиля. Утром с удивлением обнаруживаем, что вода в бутылке не замёрзла. Ударяем по ней чем-нибудь... и вода тут же превращается в лёд. Учёные не хотят даже слышать об этом "фокусе", в ведь и тут всё довольно просто.

Вода не замерзает в пластиковой бутылке при минусовых температурах, во-первых, потому,  что её стенки идеально гладкие, а в самой воде нет "центров кристаллизации".

Во-вторых, вода в полной бутылке не замерзает потому, что она охлаждается равномерно со всех сторон и в ней создаётся большое давление (или напряжение взаимного отталкивания равноудаленных частиц), которое препятствует перестройка шариков (кластеров) воды из структуры воды в структуру льда. Но возможность перескочить с места на место у шариков воды появляется в момент удара, когда сама вода внутри бутылки приходит в движение. В морозилке холодильника вода в бутылках замерзает, потому что есть вибрация от работы компрессора. Так что в "фокусе" мгновенного замерзания воды для нас уже нет ничего удивительного, но есть то, что теоретики объяснить не смогут.

 
  Аристотелевая муха и парадокс Мпембы


"Аристотелевая муха" - это научное заблуждение, которое существует как знание только благодаря авторитету его автора. То есть как бы кто ни пытался устранить недоразумение научного авторитета, ему это сделать, скорее всего, не удастся. Поэтому аристотелевые мухи очень живучи, как, впрочем, и парадоксы, часто ими порожденные.

Сам Аристотель в своё время был таким Учителем, считаться учеником которого было почётным даже для Александра Македонского.  Но "На всякого мудреца довольно простоты". В одной из своих "Книг" Аристотель сказал учёным, что у мухи 4 пары ножек. Каждый, кто хоть раз видел муху, мог заметить, что у мухи с каждой стороны по три ноги.  Однако только примерно через 2000 лет великий шведский естествоиспытатель Карл фон Линней (опять же только благодаря своему авторитету), убедил учёных в том, что у мухи 3 пары ног. 

Хоть Аристотель и насмешил вечность, но это совсем не смешно. И, догадайтесь, у кого сейчас больше всего аристотелевые мух?.. Правильно, у Эйнштейна. Это знал и он сам: "Чтобы покарать меня за отвращение к авторитетам, судьба сделала авторитетом меня самого".

Отвращение или неприязнь к конкретному научному авторитету может быть только у того, кто видит его вред для науки, то есть видит в его научных трудах эти самые пресловутые "аристотелевые мухи", но ничего не может с ними сделать.

Этот же Аристотель как-то сказал, что единажды нагретая вода меняет свои свойства, поэтому, например, горячая вода охлаждается быстрее и может замерзнуть раньше холодной, находящейся с ней в равных условиях. Сам Аристотель лёд и снег видел только на вершинах далёких гор, а в качестве доказательства он предлагал следующий эксперимент: мол, вынесете и поставьте на солнце горячую воду, и она даже на  солнце станет холодной, тогда как обычная вода на солнце только нагревается... Вот так и появляются чудесные свойства у простой воды.

Мы уже знаем ответ на вопрос "Почему тонкое медицинское покрывало фольгировано и сверху, и снизу?", то есть имеем представление о встречном индуктивном теплообмене. Холод - это та же теплота и тоже существует только в виде индукционных атомных квантов.  Верхний блестящий слой покрывала отражает "холодные" кванты обратно, не позволяя им проникать под покрывало; а нижний блестящий слой возвращает "тёплые" кванты пациенту. Колба термоса тоже делается зеркальной как снаружи, так и изнутри. А также знаем главный закон термодинамики:  "То, что долго нагревается, долго остывает; а то, что быстро нагревается, быстро остывает". Но мысль Аристотеля о более быстром замерзании горячей воды тоже оказалась живучей.

В настоящее время эта аристотелевая муха известна как парадокс (или эффект) Аристотеля-Мпембы. Его суть та же: горячая вода при прочих равных условиях может замерзнуть раньше холодной. 

В 2011 году Королевское химическое общество (Британии) даже объявило конкурс на лучшее доказательство существования этого эффекта. Но ни одного доказательства более раннего замерзания горячей воды представлено не было.

Это мне известно из личной переписки с организаторами конкурса. Дело в том, что я принимал в нём участие и являюсь автором единственного опыта, в котором тёплая вода действительно может замерзнуть быстрее холодной.

Суть опыта: берём два одинаковых высоких бумажных сканчика для напитков, на высоте 2 см и 4 см от дна делаем риски, в стаканчик с надписью "гор" наливаем до нижней риски воду комнатной температуры, а с надписью "хол" - такое же количество воды из-под крана, ставим оба стаканчика в морозилку холодильника. В чём тут фокус?

Горячая вода испаряется интенсивнее холодной. Это раз. Во-вторых, если вынести на мороз небольшое количество горячей воды в высоком стакане, то он не парит, то есть весь пар остаётся как бы запертым в стакане.

В-третьих, испарившиеся частицы на морозе быстро охлаждаются, укрупняются (конденсируются), падают обратно в воду и охлаждают её. Это происходит в обоих стаканчиках, но в стаканчике с надписью "гор" таких частиц значительно больше. Следовательно, вода  в стаканчике с надписью  "гор" охлаждается интенсивнее (то есть опережающими темпами) по двум причинам: первая причина - большой перепад температур на границе сред (вода в стаканчиках в морозилке охлаждается со всех сторон) ; вторая причина - большее количество вернувшихся в воду частиц.

Охлаждение воды за счёт вернувшихся частиц, я назвал "ретурнинговым" (возвратным) теплообменом. Опережающее появление льда на поверхности воды в стаканчике с надписью "гор" может быть обусловлено как раз падением в воду большого количества замёрзший частиц. Более того, лёд в стаканчике с надписью "гор" может появиться при плюсовой температуре воды, так как и в естественных водоёмах сразу подо льдом вода имеет положительные температуры.

В моём опыте весь иней в обоих стаканчиках находился ниже отметки 4 см при высоте стаканчиков 12 см.  Но зафиксировать опережающее замерзание тёплой воды мне на моей кухне не удалось.

Тем не менее я отправил описание опытов и их объяснение организаторам конкурса. Британские учёные сочли их разумными, интересными и попросили прислать видео-отчёт... А вскоре изменили условия конкурса. Теперь, согласно новым условиям, испарение воды должно быть исключено из опытов и объяснений эффекта Мпембы...

Однако сам танзаниец Мпемба вообще не уточнял, в закрытых или в открытых стаканчиках он ставил в морозилку свои смеси для приготовления мороженного.  Так что с эффектом Мпембы не всё так чисто, как должно быть в науке. Но, повторяюсь, опытов, подтверждающих правоту Аристотеля и Мпембы, в настоящее время не существует.


Проложенте в "Парадоксы испаряющейся воды": http://proza.ru/2026/01/25/1073