Можно ли сделать воду твёрдой, если просто сжать её механически?

Почти уверен, что твёрдое состояние воды ассоциируется у вас только лишь со льдом. Это агрегатное состояние, которое появляется в результате охлаждения физической системы до низкой температуры.

С точки зрения термодинамики у частиц есть так называемая тепловая энергия. Она, как вы возможно помните из курса физики, является мерой движения частиц. Пока температура высокая и энергии много, частицы сильно подвижны. При этом характерным агрегатным состоянием будут являться или газ, или жидкость. Они характеризуются хаотическим положением частиц, которое и проявляется из-за большой подвижности элементов системы. Когда температура падает, частички начинают потихоньку останавливаться. При температуре, близкой к формированию твёрдого агрегатного состояния, частички замирают и упорядочиваются. Полезно помнить, что полностью они всё равно не останавливаются, но начинают вибрировать уже у узлов будущей кристаллической решетки.

Получается, что вода по сути замерзает из-за уменьшения интенсивности колебаний частичек, которое связанно преимущественно с отводом тепла. Меньше интенсивность — появление устойчивой упорядоченной материи.

Частицы выстраиваются в некоторые модели, образуя кристаллические решетки. В нашем случае это будут кристаллы льда. Кристаллики льда могут быть проиллюстрированы стандартной схемой, которую вы наверняка видели. Она состоит из шаров, расположенных в правильном порядке и мнимых связей, которыми иллюстрируются взаимодействия между атомами.

В этом случае упорядочивание является следствием постепенного прекращения движения частичек. Не будет ошибкой сказать, что система приобрела такую форму только благодаря понижению температуры, следствием которой стало уменьшение тепловой энергии и последующее замедление системы.

Но если всё дело только в упорядочивании, то нельзя ли тут рассмотреть какие-то другие подходы?

Представим, что частицы, образующие кристаллический материал — это шарики, разбросанные на полу или собранные в стаканчик. Пока мы не дошли до квантовых уровней такие сравнения более чем уместны, ибо продолжает работать классическая механика. Возьмем этот стаканчик с шариками и начнём сдавливать.

Шарики внутри стакана начнут пытаться расположиться в некоторой «удобной» последовательности. Где-то будут занимать пустоты между другими шариками, где-то будут достигать оптимального взаимного расположения с учетом всех действующих в системе сила. Фактически это упорядочивание системы. Шарики перераспределятся так, что образуют практически равномерную структуру.

Такое упорядочивание напоминает выстраивание кристалла. Только движущая сила тут совсем другая. В одном случае у нас работал температурный фактор, а тут упорядочивание происходит благодаря сдавливанию и взаимной ориентации частичек материала друг относительно друга.

Получается, что вещество может стать твёрды, благодаря только лишь воздействию давления? Ответ да! Вода действительно может стать твёрдой при простом её сжатии.

Скорее всего тут всплывёт в памяти тезис, что жидкости несжимаемы. Именно поэтому в гидролиниях используется именно жидкость. Вот только если внимательно читать учебник, то там будет написано, что жидкость не «несжимаемая», а «практически несжимаема». И вы не представляете, насколько это «практически» важно для физики.

Всё, что мы сейчас рассмотрели на примере палки и верёвки, описывается и с помощью глубокой теории, и наблюдается на фазовых диаграммах.

Вспомните, что именно относится к термодинамическим параметрам. Это температура и давление. На самом деле их больше, но значимы для нас сейчас два. Фазовые диаграммы, которые описывают состояние материи, строятся именно в координатах давление-температура. При рассмотрении такого графика можно понять при каком давлении и при какой температуре будет наблюдаться, например, твёрдое состояние.

Температура и давление всегда будут связаны.

Классический пример из школьного учебника физики, который иллюстрирует ситуацию — рассказ про чай на горных вершинах. Туристы частенько попадаются на этот крючок и кипятят воду при температуре, которая значительно ниже стандартной. При этом если при 100 градусах по Цельсию бактерии и прочая мерзость погибают, то при более низких температурах такой уверенности нет. Поэтому, водой, прокипевшей при более низких температурах, вполне можно отравиться. Вода же понижает точку кипения по простой причине. Чем выше туристы поднимаются в горы, тем ниже и атмосферное давление. Ниже давление — ниже температура кипения.

Теперь посмотрите внимательно на диаграмму и увидите, что вода может стать твёрдой даже при температурах, превышающих традиционный ноль. Это тот самый момент, который мы рассматривали на примерах шариков. Даже при недостаточно низкой температуре, приложенное давление сожмёт частицы материала, ограничивая их подвижность и заставляя укреплять взаимные связи.

Наши гипотезы, построенные на движении шариков, оказываются правильными. Упорядочивание системы способна вызывать не только низкая температура, приводящая к отводу тепловой энергии от двигающихся частиц. Приложение давления тоже может стать фактором, влияющим на упорядочивание. В этом случае даже та формулировка «практически несжимаема» не будет преградой. Достаточно сдвинуть частички поближе и есть вероятность увеличения количества связей и формирования типичной кристаллической структуры. Другое дело, что речь тут не про давление, которое мы оказываем на мячик, сжимая его рукой, а о гигапаскалях.

В случае воды это не настолько ярко выражено. Чаще получится превратить её в вязкую кашу. Но есть и другие, более наглядные примеры отвердевания при сжатии.

Впрочем, относительно воды это важно, поскольку ещё раз подчёркивает её невероятное многообразие. Существует невероятное количество состояний воды и наблюдаются разные интересные супер-способности типа экстремального переохлажденного состояния. Напомню, что это тот самый интересный момент, когда при оптимальном соотношении давления, температуры и внешних воздействий, абсолютно недвижимая водная поверхность может практически мгновенно кристаллизоваться при наличии механического воздействия. В сети этот опыт гуляет как мгновенно замерзающая бутылка, а на практике всё выглядит куда страшнее. Подобная аномалия может стать смертельной западней для животного, которое случайно провалится в такой пруд и постаралось интенсивно выбираться. Оно просто вмёрзнет в лёд.

Само же явление затвердевания при экстремальных сжатиях характерно и для других веществ.

В конце статьи наверное будет уместно всё-таки указать конкретные численные характеристики, которые позволяют рассуждать о возможности превращения воды в жидком агрегатном состоянии в твёрдое тело, посредством простого механического сжатия. Давление должно быть чрезвычайно высоким и приведённая выше диаграмма не содержит таких значений. Нужно рассматривать её расширенный вариант.

Когда давление сжатия превысит 5 000 атмосфер, вода перейдёт в модификацию лёд-VI и будет существовать в таком состоянию даже при комнатной температуре. При дальнейшем повышении давления она начнёт переходить в другие виды льда, которые отличаются строением кристаллической решётки. Например, при давлении выше 22 тысяч атмосфер получается тяжёлый лёд-7 с огромной плотностью со специфической кристаллической структурой.