Что мешает молекуле, находящейся на поверхности жидкости, улететь с этой поверхности, т.е. испариться? Притяжение других молекул. Но если молекула движется быстро, её эти связи удержать не могут, и она всё-таки улетает. Средняя скорость молекул определяется температурой, но всегда есть молекулы, которые двигаются медленнее, чем средняя скорость, и быстрее, чем средняя скорость. Некоторые достигают скорости отрыва, причём чем больше температура, тем больше высокоскоростных молекул, тем быстрее происходит испарение. Но даже если температура жидкости близка к температуре замерзания, всё равно находится какой-то процент таких молекул, и процесс испарения всё-таки идёт.

Когда жидкость теряет самые быстрые молекулы, её температура понижается. Если жидкость теплоизолирована, то температура будет понижаться до тех пор, пока не станет ниже точки замерзания, и тогда остаток жидкости станет твёрдым. В обычных условиях (типа лужи на поверхности земли) жидкость восполняет потери энергии, забирая её у стенок сосуда, поэтому её температура не падает, и жидкость может испариться до конца.

Конечно, высокоскоростные молекулы могут встречаться и в толще жидкости. Пробиться на поверхность они обычно не могут, но зато могут найти другие высокоскоростные молекулы и образовать с ними микропузырёк газа. Но пока температура не достигла температуры кипения, эти микропузырьки существуют очень недолго, мельчайшие доли секунды, потому что давление окружающей жидкости раздавливает такой микропузырёк, и молекулы из него разлетаются в разные стороны, смешиваясь с остальными молекулами.

Но пары жидкости в микропузырьке тоже создают какое-то давление, и это давление растёт с увеличением температуры. И в какой-то момент это давление становится равно давлению, создаваемому окружающей средой, и с этого момента жидкость уже не может раздавать микропузырёк. Вместо этого он начинает набирать всё больше и больше высокоскоростных молекул, превращается в макропузырёк и всплывает, унося содержащиеся в нём пары в атмосферу. Это и называется кипением. Оно начинается, когда давление, создаваемое паром, достигает величины внешнего давления. Именно поэтому в горах, где давление меньше, вода кипит не при ста градусах Цельсия, а при более низкой температуре, а при повышенном давлении - наоборот, при большей температуре. Это же объясняет и то, что температура кипящей жидкости постоянна: все молекулы, которые получают избыточную энергию, объединяются в пузырьки и улетают в атмосферу, а в жидкой фазе остаются только те молекулы, чьей скорости для этого не хватает, поэтому температура жидкости не растёт.

И пара слов о том, почему не испаряется жидкость в закрытой бутылке. На самом деле испаряется, так как молекулам жидкости нет никакого дела до того, что где-то там далеко есть пробка. Но улететь далеко эти молекулы не могут, они накапливаются в том объёме воздуха, который находится между поверхностью и пробкой. Там испарившиеся молекулы летают, сталкиваются с другими молекулами, меняют из-за этих столкновений направление движения, и часть из них падает вниз обратно в жидкость. Чем больше концентрация молекул испарившейся жидкости, тем чаще они падают обратно. При какой-то концентрации количество возвращающихся молекул начинает совпадать с количеством испаряющихся. Устанавливается то, что называется динамическим равновесием: испарение идёт так же интенсивно, как и обычно, но полностью уравновешивается возвращающимися в жидкость ранее испарившимися молекулами, и количество жидкости в результате не меняется.

"Минусовая температура" - это ниже нуля. Ведь верно же? Padme.jpg Так вот, если рассматривать температуру ниже 0 градусов C, вода обычно находится в твердом состоянии (лед). Плотность льда (примерно 917 кг/м³) ниже плотности жидкой воды (примерно 1000 кг/м³). Именно поэтому лед плавает на поверхности. Убедиться в этом феномене приглашаю зимой всех желающих - на реку, озеро, пруд или лужу. Научных редакторов видео - тоже. Лёд ПЛАВАЕТ на поверхности. Не выше, а ниже, товарищи научные редакторы. Хотя какие вы нам после этого фильма вообще товарищи...

Наверное, авторы имели ввиду немного другое. Наверное они имели ввиду температурную аномалию воды: в диапазоне от 0°C до +4°C она сжимается, а не расширяется. Но аномалия не равно "необъяснённый никакими учёными феномен"! Очень даже объяснённый. Секрет кроется в строении молекулы воды (H₂O) и водородных связях между молекулами. При замерзании молекулы воды выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку (как в гексагональном льде). В этой решётке каждая молекула связана с соседями водородными связями (нужно про них? Не, научному коллективу фильма - однозначно нужно, это ж химия 9 класса средней школы, а вам надо сейчас?), которые фиксируют их на определенном расстоянии. В такой структуре остается много пустот ("каналов"). Поэтому лед имеет ажурную структуру и занимает больший объем*, но содержит меньше вещества в единице объема (низкая плотность).

*Ещё один занимательный эксперимент для маленьких любителей науки с большого ТВ: положите стеклянную бутылку с водой в морозильную камеру холодильника. Будет интересно!

Спойлер: при замерзании лёд расширится и разобьёт бутыль. Вариант - выбьет пробку и замёрзнет такой себе "выпирающей сосулькой", если бутыль достаточно крепкая.

Когда лед начинает таять, кристаллическая решётка разрушается. Однако даже в жидкой воде при температуре, близкой к 0°C, сохраняются "обломки" льда - кластеры из молекул, скрепленных водородными связями. Эти кластеры всё еще достаточно крупные и рыхлые.
Когда мы начинаем нагревать воду от 0 до 4°C, происходит два конкурирующих процесса: С одной стороны - тепловое расширение: молекулы начинают двигаться быстрее, стремясь отдалиться друг от друга (как у обычных веществ). А с другой - разрушение кластеров. Молекулы воды "упаковываются" плотнее, заполняя пустоты. Этот эффект сжатия (увеличения плотности) перевешивает эффект теплового расширения.

При температуре +4°C достигается баланс. Структуры льда практически разрушены, и вода находится в своем самом плотном состоянии. Молекулы упакованы максимально близко друг к другу. При дальнейшем нагреве (выше +4°C) все эти структуры уже разрушены. Дальше вода начинает подчиняться общим законам физики: тепловое движение молекул усиливается, расстояние между ними увеличивается, и плотность начинает плавно падать.

Это действительно уникальное свойство воды спасает жизнь в водоемах зимой: вода на дне не опускается ниже +4°C, оставаясь жидкой и приемлемо теплой для рыб и растений. Но "уникальной" тоже не равно "необъяснённой". Очень даже объяснённой. Учёными.

4:34 "До сих пор у науки нет ответа на вопрос "Почему только вода - единственное вещество на планете - может находиться в трёх состояниях: жидком, твёрдом и газообразном"

А вы уже перестали пить коньяк по утрам? (c) У науки и вопроса-то такого нет, потому и ответа нет. Почти любое вещество может находиться в трёх состояниях. Например, кусок железа. При обычной температуре он твёрдый. Но стоит нагреть его до 1538 градусов Цельсиевого столба* - и он станет жидким. А при 2862 градуса - закипит и испарится. Станет газом, представьте себе. Оно, конечно, 1538 градуса в природе не случается, к счастью, даже в Ростове в июле. Но в доменной печи - бывает такая оказия, железо-то мы плавим и делаем из него всякое. Испарять железо нам особо не требуется, но, если потребуется, манипулируя температурой и давлением, испарим, уж будьте уверены.

*Это ирония, про "градусы цельсиевого столба". Один из преподов моих так говорил, разумеется, с иронией. Специально уточняю, а то пишут уже, мол, не существует такого...

Может, намёк на то, что вода встречается одновременно во всех этих трёх состояниях? Ну вот на кухне, например. В морозилке - твёрдая вода (ниже 0 градусов), в кране - жидкая (0 - 100), в кипящем чайнике (100+) газообразная... Магия, не иначе! Какие-то молекулы воды улетают и образуют газовую фазу для этого вещества и не дожидаясь 100 градусов. Но так тоже поступают все соединения: температура кипения всегда имеет статистическое значение, а не абсолютное. Нет такого, что НИ ЕДИНАЯ молекула воды не может уйти в газовую фазу, пока температура ещё не 100. Водяной пар в дыхании откуда б тогда взялся... Если вы не дракон, у вас температура выдыхаемой газовой смеси на 100, а ниже. А вода (в газообразном виде) в выдохе есть у всех. Дохните на окошко - запотеет, выдыхаемая вода сконденсируется на холодном стекле.

Не, ну точно магия. @DDessin, вы там спец по магии, подтверждаете?

4:50 Почему из всех жидкостей именно у воды самое высокое поверхностное натяжение?

Ну здрастье-приехали! А как же ртуть? Авторы фильма, вы что, урановые ломы во ртути ни разу не топили?! У воды не самое высокое, но достаточно высокое (неуникально высокое) поверхностное натяжение. Молекула воды на границе с воздухом испытывает влияние только от молекул, находящихся снизу и сбоку (в толще воды). Да, опять эти крылатые коты водородные связи. Сверху, со стороны воздуха, молекул воды почти нет, и водородную связь обустроить с молекулой в газовой фазе - нереально: та слишком быстра собой. В результате результирующая сила, для молекул поверхностного слоя воды, направлена внутрь жидкости. Поверхностный слой превращается в подобие тонкой, но очень прочной упругой плёнки.

Ох. Хронометраж у фильма - час двадцать. Это на первые 5 минут я ответила. Давайте про водородную связь всё-таки скажу пару слов. Водородная связь - это особый тип межмолекулярного взаимодействия. Это не полноценная химическая связь (как между атомами в молекуле), а скорее очень сильное электростатическое притяжение.

Она возникает между молекулами, в которых есть атом водорода, соединённый с маленьким, но очень электроотрицательным атомом - кислородом (O), азотом (N) или фтором (F). Из-за разницы в электроотрицательности общая электронная пара сильно смещается к кислороду (или фтору, или азоту). Водород практически теряет свой электрон и становится "голым" протоном с большим положительным зарядом. Этот положительный заряд начинает сильно притягиваться к отрицательному заряду атома кислорода (или фтора, или азота) соседней молекулы. Получается, молекулы как бы "держатся" за руки друг с другом (экспериментально - выяснили, что они по 5 или по 6 штук в таких мини-хороводах). Отсюда и все её "уникальные" свойства.

Такие дела. Дальше комментировать этот набор кадров про воду?

Я - Злобная Биохимичка. Воды во мне 60-70%. И в вас. И даже в авторах фильма. За донаты спасибо!