Аномальні властивості води

Чиста вода є безбарвною, без смаку, запаху, прозорою рідиною. Густина води під час переходу неї з твердого стану в рідке не зменшується, як майже у всіх інших речовин, а зростає.

Як добре відомо, вода прийнята за зразок міри - еталон для всіх інших речовин. Здавалося б, за еталон для фізичних констант слідувало б вибрати таку речовину, яка поводиться самим нормальним, звичайним чином. А вийшло якраз навпаки.

І перше, саме вражаюче, властивість води полягає в тому, що вода належить до єдиної речовини на нашій планеті, яка в звичайних умовах температури і тиску може знаходитися в трьох фазах, або трьох агрегатних станах: в твердому (лід), рідкому і газоподібному (невидимий оку пар).

Аномальні властивості води, що визначають, зокрема, і наявність життя на Землі — її змінна щільність, висока теплоємність і велике поверхневе натягнення, пояснюються двома типами структур, в які самоорганізовуватимуться молекули рідини.

У цьому упевнені автори нового дослідження, опублікованого в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ученим давно було відомо 66 нез‘ясовних властивостей води, що відрізняють її від більшості інших хімічних речовин, що зустрічаються в рідкому стані. Так, на відміну від всіх відомих рідин, щільність яких монотонно збільшується з пониженням температури, щільність води максимальна при 4 градусах Цельсія, а при подальшому пониженні температури знов починає убувати.

Це унікальна властивість води робить можливою життя в річках і озерах — інакше ці відносно дрібні водоймища неминуче промерзали б до дна в зимовий період і були б позбавлені всіх живих організмів, за виключенням, можливо, простих бактерій екстремофілів.

Вода володіє величезною теплоємністю — завдяки цьому теплі океанічні течії зігрівають багато північних регіонів планети, приносячи тепло з південних широт.

Аномальне високе поверхневе натягнення рідкої води не тільки дозволяє деяким комахам спокійно ходити по її поверхні, але і завдяки капілярним силам забезпечує надходження живильних речовин до крон гігантських дерев, досягаючих декількох десятків метрів у висоту.

Пояснити ці властивості на підставі лише будови і хімічних параметрів молекул води учені до останнього часу не могли.

Секрет крився в структурі, в яку самоорганізовуватимуться молекули рідкої води. Він довгий час залишався нерозгаданим, оскільки вивчити цю структуру тими ж методами, що застосовуються для вивчення будови твердих тіл, практично неможливо.

Команда Андерса Нільсона (Anders Nilsson), що веде фахівця Стенфордського центру синхротронного випромінювання (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource), зуміла подолати ці труднощі завдяки новітнім методам вивчення будови рідин з використанням могутнього рентгенівського випромінювання, що отримується за допомогою великих прискорювачів елементарних частинок, званих синхротронами. Один з використаних в роботі синхротронів знаходиться в Японії, а другий в США.

Учені з’ясували, що уявлення, що існували до цих пір, про молекулярну структуру води були невірними — виявилось, що її молекули формують не одну структуру, а одночасний два типи структур, співіснуючих в рідині незалежно від температури. Один тип структури формується у вигляді згустків приблизно по 100 молекул, структура яких нагадує структуру льоду. Другий тип структури, що оточує згустки, набагато менш впорядкований.

Збільшення температури аж до точки кипіння води приводить до деякого спотворення структури згустків і зменшення їх кількості і домінування разупорядоченной структури.

«Цей процес можна представити як танцювальний клуб, де частина людей сидить за столиками, відображаючи впорядковану компоненту води, а частина знаходячись в натовпі, безперервно переміщається в танці, відображаючи разупорядоченную. Збільшення температури води в цьому випадку можна порівняти із загальним підняттям настрою і прискоренням музики, коли люди починають вставати із-за столів і приєднуватися до танцюючих, а частина порожніх столів і зовсім забирається для вивільнення місця.

Охолоджування — зворотний процес, коли танцпол заповнюється столами, і за них сідають стомлені танцями гості клубу. При цьому при одній і тій же «температурі» танцюючі і сидячі люди постійно міняються місцями — деякі сідають відпочити, а деякі навпаки йдуть танцювати, тоді як загальне співвідношення танцюючих і таких, що сидять залишається тим самим» — пояснив результати роботи Нільсон, слова якого наводить прес-служба Стенфордського центру лінійних прискорювачів в США.

Це, зокрема, пояснює нелінійну залежність щільності води від температури — впорядковані скупчення молекул мають меншу щільність, чим неврегульовані, і вона мало міняється із зміною температури, яку можна порівняти з постійним розміром столів, не залежним від настрою присутніх або гучності музики в ресторані.

Від чого залежить швидкість випаровування рідини? Фактори, що впливають на даний процес

Нам всім з дитинства добре відомий один серйозний життєвий факт. Для того щоб остудити гарячий чай, необхідно налити його в холодну блюдце і тривало дути над його поверхнею. Коли тобі шість-сім років, особливо не замислюєшся над законами фізики, просто приймаєш їх як дане або, висловлюючись фізично, приймаєш їх за аксіому. Однак, осягаючи з часом науки, ми знаходимо цікаві подібності аксіом і послідовних доказів, плавно переводячи наші дитячі припущення в дорослі теореми. Те ж саме і з гарячим чаєм. Ніхто з нас і подумати не міг, що такий спосіб його охолодження безпосередньо пов'язаний з випаровуванням рідини. 

Фізика процесу

Для того щоб відповісти на питання, від чого залежить швидкість випаровування рідини, треба розібратися в самій фізиці процесу. Випаровування - це процес фазового переходу речовини з рідкого агрегатного стану в газоподібний. Випаровуватися може будь-рідке речовина, в тому числі дуже в'язке. З вигляду і не скажеш, що якась желеподібна жижа може втрачати частину своєї маси за рахунок випаровування, але при певних умовах саме це і відбувається. Тверде тіло може випаровуватися, тільки такий процес називається сублімацією.

Як відбувається

Почавши розбиратися, від чого залежить швидкість випаровування рідини, слід відштовхуватися від того, що це ендотермічний процес, тобто процес, що проходить з поглинанням теплоти. Теплота фазового переходу (теплота випаровування) передає енергію молекул речовини, збільшуючи їх швидкість і підвищуючи ймовірність їх відриву, послаблюючи при цьому сили молекулярного зчеплення. Відриваючись від основної маси речовини, швидкі молекули вириваються за його межі, і речовина втрачає свою масу. При цьому вилетіли молекули рідини миттєво скипають, здійснюючи при відриві процес фазового переходу, і їх вихід йде вже в газоподібному стані. 

Застосування

Розуміючи, від яких причин залежить швидкість випаровування рідини, можна грамотно регулювати технологічні процеси, що відбуваються на їх основі. Наприклад, роботу кондиціонера, в теплообміннику-випарнику якого холодоагент кипить, забираючи тепло з охолоджуваного приміщення, або закипання води в трубах промислового котла, теплота якої передається на потреби опалення та ГВП. Усвідомлення того, від яких умов залежить швидкість випаровування рідини, надає можливість конструювати і виробляти сучасне і технологічне обладнання компактних розмірів і з підвищеним коефіцієнтом теплопередачі.

Температура

Я провела невелеликий експеремент, який показує вплив температури на швидкість випаровування.

Я набрала рівну кількісь води у дві абсолютно одинакові посудини, одну з них я поставила на сонце (tсер. = 21°C), а іншу в місце, куди не потрапляє сонячне проміння і є більш прохолодно (tсер. = 9-10°С). Час дорівнює шість годин.

Результат:
За вимірами вода у посудині, яка стояла в місці з низькою температурою, дала менший показник (∆V=V'-V"=3мм), а та що стояла на сонці більше (∆V=V'-V"=1,1см).
Отже, можна впевнено казати про вплив температури на швидкість випаровування.

Рідкий агрегатний стан вкрай нестійкий. При наших земних н. у. (поняття "нормальних умов", тобто придатних для життя людей) воно періодично прагне перейти в тверду або газоподібну фазу. Як це відбувається? Від чого залежить швидкість випаровування рідини? Первинний критерій - це, природно, температура. Чим сильніше ми нагріваємо рідину, тим більше енергії ми підводимо до молекул речовини, тим більше молекулярних зв'язків ми розриваємо, тим швидше йде процес фазового переходу. Апофеоз досягається при стійкому пузирьковом кипінні. Вода кипить при 100 ? с при атмосферному тиску. Поверхня каструлі або, наприклад, чайника, де вона кипить, тільки на перший погляд ідеально гладка. При багаторазовому збільшенні картинки ми побачимо нескінченні гострі піки, як у горах. Теплота точково підводиться до кожного з цих піків, і з-за малої поверхні теплообміну вода миттєво закипає, утворюючи пухирець повітря, який піднімається до поверхні, де і схлопивается. Саме тому таке кипіння називають бульбашковим. Швидкість випаровування води при цьому максимальна. 

Тиск

Другий важливий параметр, від чого залежить швидкість випаровування рідини, - це тиск. При зниженні тиску нижче атмосферного вода починає закипати при менших температурах. На цьому принципі заснована робота знаменитих скороварок - спеціальних каструль, звідки откачивался повітря, і вода кипіла вже при 70-80 ° С. Підвищення тиску, навпаки, збільшує температуру закипання. Це корисна властивість використовується при подачі перегрітої води від ТЕЦ в ЦТП та ІТП, де для збереження потенціалу переносимої теплоти воду підігрівають до температури 150-180 градусів, коли треба виключити можливість її скипання в трубах.

Інші фактори

Інтенсивне охолодження поверхні рідини з температурою вище, ніж температура подаючої повітряного струменя, - це ще один фактор, від чого залежить швидкість випаровування рідини. Приклади цього можна взяти з повсякденного життя. Обдування вітром гладі озера або той приклад, з якого ми почали розповідь: охолодження гарячого чаю, налитого в блюдце. Він остигає за рахунок того, що, відриваючись від основної маси речовини, молекули забирають частину енергії з собою, охолоджуючи його. Тут можна побачити ще й вплив площі поверхні. Блюдце ширше, ніж гуртка, тому з її квадратури потенційно може піти більшу кількість маси води.

Висновок

Для людей вода – це звичайна речовина, яка часто приймається як належне. Незважаючи на те, що аномальні властивості води пояснюються на атомному рівні, її значення дійсно велика. Очевидно, що вона необхідна для існування життя на Землі. Аномальні властивості води, коротко кажучи, дозволяють їй служити медіатором хімічних і біохімічних процесів, формувати наше природне середовище і брати участь у створенні клімату і погоди.