2.14: Состояния воды

Вода существует в трех основных состояниях: твердое (лед), жидкость и газ (пар). Состояние воды зависит от межмолекулярных сил, которые собирают молекулы воды вместе, и кинетической энергии, которая растягивает их в стороны.

Вода замерзает, когда межмолекулярные силы больше, чем кинетическая энергия. В отличие от большинства других веществ, вода менее плотная в твердом состоянии, чем в жидком. Это происходит потому, что каждая молекула воды способна сблизиться с четырьмя молекулами, образуя равномерную, тетраэдрическую организацию. Эта характеристика воды позволяет льду плавать в воде. Без плавающего на поверхности льда водоемы замерзали бы снизу вверх, убивая всех живых существ в воде.

Когда кинетическая энергия передаётся льду в виде тепла, лед тает и становится жидкой водой. В этом состоянии связи между молекулами воды постоянно разрываются и образуются снова. Когда лед тает, температура воды остается в точке плавления до тех пор, пока всё вещество не станет жидким. Только тогда температура воды повысится за пределы точки плавления.

Поскольку кинетическая энергия подавляет межмолекулярные силы, жидкая вода (или даже лед) превращается в газ. Процесс генерации пара из жидкой воды называется испарением. Увеличение кинетической энергии может произойти внутри образца, как в случае кипения, или может произойти на поверхности, когда вода испаряется. Процесс генерации газа непосредственно из твердого тела, без перехода через жидкую фазу, называется сублимацией. Условием такого перехода является низкое атмосферное давление, которое увеличивает воздействие кинетической энергии.

Когда кинетическая энергия падает, пар может перейти в жидкость (процесс конденсации), или непосредственно в твердое состояние (процесс осаждения или десублимации). Примером конденсации в природе является дождь, а осаждения – снег.

В поисках других пригодных для жизни планет наличие воды является важнейшей особенностью, особенно, воды в жидкой форме, потому что жизнь на Земле началась в воде. Энцелад – это покрытый льдом спутник Сатурна, на южном полюсе которого есть водяные шлейфы, или гейзеры. Это первоначально вызвало много споров по поводу того, имеет ли Энцелад жидкую воду под льдом, так как была обнаружено, что “шлейфы” извергали пар и лёд. Тем не менее, орбита этого спутника вокруг Сатурна, а также другие признаки указывают на наличие огромного жидкого океана на Энцеладе, что делает его потенциально пригодным для жизни.