Процесс отдачи теплоты при кристаллизации воды

[Pphantom]

Rusit8800 в сообщении #1341434 писал(а):

Я думал, что самая главная и сложная проблема у физиков теоретиков - поиск теории всего, а тут получается, что даже с такой распространенной и повсюду встречающейся вещи как вода, физики не могут разобраться. Что же это такое?

Проза жизни. Построить "теории всего" зачастую существенно проще, чем решить какую-нибудь "низменную" задачу про обычные явления, материалы и т.п., для которых, в отличие от, есть очень много очень подробных экспериментальных данных. И, замечу, эти "низменные" задачи нередко интереснее.

[Anton_Peplov]

Rusit8800 в сообщении #1341434 писал(а):

Я думал, что, используя атомное строение вещества, а также мощный математический аппарат, физики давно вывели соответствующую теорию.

Математический аппарат страдает одной особенностью: ничтожно малую часть уравнений, которые можно с его помощью составить, можно с его же помощью решить. Просто в школе этого не видно, потому что там дают (и на математике, и на физике) только уравнения, которые известно как решать (собственно, их решению и учат). Но это капля в море.

С физикой обычно бывает так. Мягкий вариант: "Мы всё записали строго, получилось уравнение, на какой козе подъехать к его решению - у всей мировой математики no idea". Хардкорный вариант: "Бессмысленно даже пытаться записать это строго, потому что получится $10^{23}$ уравнений, и мы не успеем их выписать прежде, чем погаснет Солнце".

Что делают физики в таком случае? Вводят упрощающие гипотезы. А давайте пренебрежём тем, тем и ещё вот этим. Вы с этим сталкивались, когда проходили идеальный газ (его, кажется, в 10-м классе проходят?). Мол, пусть у нас молекулы - это точки (что не так), и взаимодействуют они только путём соударений (что тоже не так). Зато уравнения получается такие простые, что даже Вам, школьнику, удалось понять все выкладки.

Фокус в том, чтобы найти такое упрощение (как говорят физики, приближение), чтобы и уравнения решались, и результаты с экспериментом не расходились в рамках нужной точности. Вот для воздуха в Вашей комнате теория идеального газа работает довольно хорошо. А вот для жидкости она уже совсем-совсем не работает, и процесс конденсации пара в жидкость не предсказывает.

А каково уравнение $p = p(V,T)$ (аналог уравнения Менделеева-Клапейрона) для жидкости? Открою Вам секрет: никто не знает. У теоретиков есть отдельные успехи для отдельных классов жидкостей (например, для жидких инертных газов). Вода в число лёгких для изучения веществ не входит: у неё водородные связи. несферические молекулы и что-то там ещё нехорошее.

У инженеров, которым некогда ждать, пока теоретики смогут, есть эмпирические уравнения, полученные из экспериментов. То есть берётся вода и измеряется толстая туча значений $(p, V, T)$, которые обобщаются в сложную формулу.Чем большей точности мы хотим добиться, тем сложнее она становится, количество коэффициентов измеряется уже десятками, и никакого понимания нам эти формулы не добавляют. Голый факт: если нагреть воду до $T$ в объёме $V$, её давление будет $p$. Очень полезно, чтобы построить атомный реактор с водяным охлаждением. Совершенно бесполезно, чтобы понять что-то про устройство воды. Ну разве что очередную модель теоретиков проверять по этому уравнению, не проводя заново все эксперименты.

И кстати, полученное эмпирическое уравнение будет работать только для воды. В лучшем случае можно получить одно уравнение для класса веществ (например, жидких алканов). На жидкость в целом никто даже не замахивается.

[Munin]

Anton_Peplov в сообщении #1341775 писал(а):

Хардкорный вариант: "Бессмысленно даже пытаться записать это строго, потому что получится $10^{23}$ уравнений, и мы не успеем их выписать прежде, чем погаснет Солнце".

Нет, намного хуже. $10^{23}$ уравнений - этим как раз  ежа  математика не испугаешь. Хардкорный вариант примерно такой:

"Бессмысленно даже пытаться записать это строго, потому что при попытках записать это строго - математики говорят "что это за бессвязица у вас тут написана? что за траву вы вообще курили?"

[DimaM]

Вода, в общем-то, измерена вдоль и поперек. Так что, если не лезть в сверхвысокие температуры-давления, можно, не мудрствуя лукаво, брать параметры из таблиц.

[Rusit8800]

Pphantom в сообщении #1341452 писал(а):

Проза жизни. Построить "теории всего" зачастую существенно проще, чем решить какую-нибудь "низменную" задачу про обычные явления, материалы и т.п., для которых, в отличие от, есть очень много очень подробных экспериментальных данных. И, замечу, эти "низменные" задачи нередко интереснее.

Но как же так? Это все очень странно. Может дело просто в вычислительной проблеме решения $10^{23}$ уравнений?

[Dmitriy40]

Нет: в задаче трёх тел уравнений всего с десяток, однако решить не могут. В математике с формулой простых чисел засада. Казалось бы куда уж проще, в обоих случаях, ан нет. И так везде много где.

[Pphantom]

Rusit8800 в сообщении #1342164 писал(а):

Но как же так? Это все очень странно.

Вполне нормально. Предположение, что теория, описывающая что-то экзотическое, обязательно должна быть сложнее, чем теория, описывающая нечто хорошо известное и распространенное, ни на чем не основано. Более того, как я уже писал выше, во втором случае объем экспериментальных данных намного больше, а это означает, что теория должна учитывать и объяснять намного больше деталей, так что в среднем ее построение является заметно более сложной задачей. Придумывать что-то про экзотику, о которой известно два параметра с полутора измерениями на каждый, на порядки проще.

[wrest]

Rusit8800
Нет полного объяснения сухого трения. А вроде явление простое, закон Кулона для трения есть...

[Rusit8800]

Мда, чем больше я узнаю о физике и математике, тем больше я понимаю, что мы ничего не знаем, даже о хорошо известных вещах. Как же сложен мир.

[realeugene]

Rusit8800 в сообщении #1342182 писал(а):

Мда, чем больше я узнаю о физике и математике, тем больше я понимаю, что мы ничего не знаем, даже о хорошо известных вещах. Как же сложен мир.

Мир сложен, но кое-что мы всё-таки знаем. Учитесь, и вы тоже узнаете.

[Anton_Peplov]

Rusit8800 в сообщении #1342182 писал(а):

мы ничего не знаем

Кое-что всё же знаем. Прямым следствием этого знания является тот факт, что Вы сейчас читаете эти строки. Потому что теоретической основой полупроводниковой электроники является квантовая механика. Ваш компьютер (а также смартфон и вообще всё, что умнее лампы накаливания) работает именно потому, что физики знают её законы, а инженеры научились их использовать для создания всяких полезных и приятных штук.

То же самое с автомобилями, розетками, водопроводом и т.д., только там не квантмех, а классическая механика и термо-, гидро-, электродинамика.

[Munin]

Не забудьте холодильники!

[Anton_Peplov]

Как же про них забыть. Голод напомнит.

[Rusit8800]

Говоря "мы ничего не знаем", я умел ввиду, что мы не знаем очень многого.

[Munin]

Ну, вообще в школе человека берегут от неизвестности, давая только самые проверенные и устоявшиеся знания. Но по мере учёбы он неизбежно приближается к границам, на которых идут исследования, споры, много неясного и противоречивого.

-- 29.09.2018 15:48:47 --

Хотя, имхо, надо сразу честно не скрывая говорить, что наука - это живой организм, творимый живыми людьми. И вопросов в ней сегодня не меньше, чем в прошлом.