ПРО МЕХАНІЗМ ПЛАВЛЕННЯ ЛЬОДУ
DOI:
https://doi.org/10.20998/2079-0821.2024.02.05Ключові слова:
плавлення льоду, ефект Яна – Теллера, коливальні моди, теплоємністьАнотація
На основі теорії ефекту Яна – Теллера (ЕЯТ) запропоновано модель можливого механізму плавлення льоду. Зростання теплоємності льоду поблизу 0 ⁰С у півтора рази, порівняно із законом Дюлонга та Пті, дозволяє припустити, що в ньому відбувається початкове збудження обертальних коливальних мод молекул води. Спочатку відбувається збудження обертальної низькочастотної моди, потім – збудження проміжної обертальної моди. Ефект зв’язаності мод та нестійкості обертальних мод коливань молекули на проміжній обертальній частоті пов’язаний з наявністю зв’язку між усіма низькочастотними та високочастотними обертальними модами молекули через рівняння Ейлера. Тому збудження проміжної частоти у льоду призводить до можливості збудження всіх обертальних коливальних мод, що відбувається в ньому при температурі 0 ⁰С після отримання ним теплоти плавлення. Збудження обертальних коливальних мод веде до появи можливостей складання коливальних мод та їх синхронізації. Зростання амплітуди обертальних коливань, зближення при цьому частот цих двох мод коливань та їх подальша синхронізація призводить до появи обертань атомів водню молекули води навколо осей міжмолекулярних зв’язків, до стійкого вигину водневих зв’язків та їх подальшого ослаблення у воді. Внаслідок цього ослаблення сил зв’язків маємо зниження обертальних частот коливань для молекул води та їх локальних зарядів. Внаслідок цього зниження частот, коливання локальних зарядів молекул води стають менш випромінюючими та менш загасаючими. Тому в рідкій фазі води ці обертальні коливальні моди стають новими незатухаючими та незалежними модами коливань її молекул. Поява нових мод коливань у молекул веде до подвоєння теплоємності води порівняно з льодом. Збудження під час плавлення льоду всіх трьох обертальних коливальних мод призводить до появи у нього аномально великої величини теплоти плавлення.
Посилання
Eisenberg, D., Kauzmann, W. (2005). The structure and properties of water. Oxford University press, 308.
Zatsepina, G. N. (1987). Physical properties and structure of water – 2nd ed. – M.: MGU – 171 p.
Maeno N. (1988). The Science of Ice / translated from Japanese. – Moscow: Mir, – 231 p.
Bersuker, I. (1984). The Jahn-Teller Effect and Vibronic Interactions in Modern Chemistry. Plenum. New York, 319.
Popl J.A. Proc. Roy. Soc. London, 1951. V. A 205, 163.
Маlаfаеv, N. Т. (2011). О vzaimodeistviyakh i dinamike molekul v chistoy vode. Vostochno – evropeyskiy zhurnal peredovyh tehnologiy. 52, №4/8, 48–58. Available at: http://journals.uran.ua/eejet/article/view/1465/1363
Sivukhin D.V. Obshchiy kurs fiziki T.I. Mekhanika [General course of physics. T.I. Mechanics] – M., 1979, 457 p.
Malafayev N. T., Pogozhikh N. I. Modelirovaniye vrashchatel'nykh kolebaniy molekul vody [Modeling of rotational oscillations of water molecules] / East European Journal of Advanced Technologies, Kharkov, 2015. 2/5 (74). P. 27-35. https://doi.org/:10.15587/1729-4061.2015.40569
Malafayev N. T., Гапонова О.О. Modelyuvannya kolyvanʹ molekul vody z dopomohoyu modeli dvochastotnoho mayatnyka v yan - tellerivsʹkomu potentsiali [Modeling the collision of water molecules using an additional model of a two-frequency pendulum in the Jahn-Teller potential] / Intehrovani tekhnolohiyi ta enerhozberezhennya, Kharkiv, 2023, №2, S. 25-44. https://doi.org/:10.20998/2078-5364.2023.2.03
Crawford F. Waves. (Berkeley Physics Course. Volume 3) Jr. - Mcgraw-Hill Book Comp. (1968), 600 p.
Vikhman E. Quantum physics. (Berkeley Physics Course. V. 4), McGraw-Hill College; 2nd edition (1971), 423 p.
Osnovy fiziki vody [Fundamentals of water physics] / V.Ya. Antonchenko, A.S. Davydov, V.V. Ilyin. – Kyiv: Naukova Dumka, (1991), – 672 p.
Malenkov G.G. Struktura i dinamika zhidkoy vody [Structure and dynamics of liquid water] // J. Struct. Chem. - 2006. - V. 47. - P. 5–35.
Franks F. (1985). Voda i vodnye rastvory pri temperaturah nizhe 0 °C [Properties of aqueous solutions at temperatures below 0 °C]. In F. Franks (Eds.) – Кiev: Naukova dumka, 388 р.
Mallamace, F., Corsaro C., Fazio E., Mallamace D. et al. Specific Heat and Transport Functions of Water / Int J Mol Sci. 2020 Jan; 21(2): 622. Published online 2020 Jan 17. https://doi.org/: 10.3390/ijms21020622
Istvan E. A., Malafayev N. T., Pogozhikh N. I. Features of rotational modes of vibrations of water molecules in free and bound states / East European Journal of Advanced Technologies, Kharkіv, 2013. No. 5/6(65), P.11-15.
