Текст книги "Белые пятна безбрежного океана"

Автор книги: Борис Фрадкин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 9 страниц)

Необыкновенные свойства обыкновенной воды

Одна в трех лицах

Фалес Милетский, о котором мы уже рассказывали, первым обратил внимание на исключительное свойство воды. Это единственное вещество на Земле, способное существовать в естественных для человека условиях одновременно в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. В океанах плавают ледяные поля и айсберги. Зимой поверхности рек покрыты льдом, а в небе во все времена года мы видим облака.

Лед, вода и пары воды могут окружать нас одновременно. Они способны меняться ролями, превращаться одно в другое, но никогда не становиться на планете чем-то одним.

Счастливое исключение

Все вещества на Земле, будь это твердое тело, жидкость или газ, при охлаждении сжимаются. При замерзании любой жидкости ее отвердевшие фракции как более плотные и более тяжелые тонут, опускаются на дно. Любой, кроме воды. Вода – совсем другое дело.

Водяной пар, остывая, как и все газы, уменьшается в объеме. Кипящая жидкость, охлаждаясь, вначале ведет себя, как и все нормальные жидкости. Но едва температура ее понизится от +100°С до +4 °С, как она сразу меняет свое поведение на диаметрально противоположное: от +4°С и до полного замерзания вода расширяется, увеличивается в объеме. Объем льда на 1/11 больше объема, занимаемого водой до замерзания. Это расширение может оказаться роковым для водопроводных труб, если в них на морозе будет оставлена вода. Стальные стенки лопнут с легкостью, будто они не из стали, а из бумаги.

Вода – единственная жидкость на Земле, которая в мерзлом состоянии не тонет. А теперь представьте себе, что произошло бы, измени вода вдруг своей "ненормальности". Озера, реки, моря и океаны начали бы зимой замерзать со дна к поверхности. За зиму они превратились бы в гигантские ледяные глыбы, которые наверняка не успели бы растаять в течение летних месяцев. Все живое в морях, реках, озерах вымерзло бы. Промерзание водоемов до самого дна резко уменьшило бы количество испаряющейся воды, а с ней и количество отдаваемого в атмосферу тепла. Прекратилось бы выпадение осадков – дождя и снега. Сухая ледяная стужа от полюсов двинулась бы к экватору. И едва ли солнцу удалось бы отстоять для человечества хотя бы узенькую полоску земли, пригодную для существования. Скорее всего, наша планета превратилась бы в сплошной безжизненный ледник...

Аккумулятор тепла

Ни одно вещество на Земле не поглощает столько тепла, сколько вода. Теплоемкость воды в 10 раз больше теплоемкости стали и в 30 раз больше теплоемкости ртути.

Чтобы обратить 1 кг воды в пар, необходимо 2260 кДж тепла, больше, чем для любого другого вещества. Повесьте пустой чайник над огнем и через несколько минут он раскалится докрасна. Теперь наполните его водой. Скоро ли закипит вода? "Если смотреть на Чайник, – гласит английская поговорка, – он никогда не закипит". Но эти же 2260 кДж пар отдает в окружающую среду, конденсируясь в воду. Во всех своих трех состояниях вода – отличное средство для переноса тепла; обстоятельство, не только создавшее на Земле условия, пригодные для жизни, но и саму жизнь.

Поглотитель газов

Помните, вода – надежный фильтр атмосферы. Ни одна жидкость не поглощает газы с такой жадностью, как вода. Но она же при определенных условиях легко и добровольно расстается с поглощенными газами.

Налейте водопроводной воды в стакан и поставьте его на стол. Вскоре вы увидите, как стенки стакана покроются россыпью мелких пузырьков – это покинула воду часть растворенного в ней воздуха. В водопроводной трубе вода находится под давлением, а налив ее в стакан, вы освободили ее от этого давления.

Чем меньше давление окружающей среды или чем горячее сама вода, тем интенсивнее будет выделяться растворенный в ней воздух – свойство воды, причинявшее и продолжающее причинять крупные неприятности гидростроителям.

Пожиратель металла

1894 год... Прославленные английские корабелы спустили на воду миноносец «Дэринг». На судне установили сверхмощные по тому времени паровые машины. Проектировщики потирают руки, заранее предвкушая триумф своего детища. Еще бы! При таких-то оборотах таких огромных винтов, как показывают расчеты, «Дэринг» поразит мир скоростью своего движения. Начались ходовые испытания. Машины «Дэринга» пущены на полную мощность. За кормой корабля поднялись буруны от супервинтов. А скорость корабля... далека от расчетной. Происходит необъяснимое – судно сотрясается от вибрации. Кажется, оно вот-вот развалится. Скорость непрерывно падает. Вот уже «Дэринг» ползет, как старая парусная калоша. Испытания прекратили, миноносец отвели в док. Каково же было изумление кораблестроителей, когда вместо винтов они обнаружили бесформенные куски металла. Так техника впервые столкнулась еще с одним свойством воды – свойством «пожирать» металл.

В 1907 г. известные на весь мир океанские лайнеры "Мавритания" и "Лузитания" начали терять ход. При осмотре на винтах обоих кораблей были обнаружены язвины глубиной 6-8 см. Винты пришлось менять каждые два месяца, поскольку они теряли обтекаемую форму – вода "пожирала" их. Замена каждого винта обходилась фирме в 70000 долларов. В конечном счете плавучие "города" были поставлены на прикол.

В первую мировую войну в германском морском флоте винты на торпедных катерах работали не более недели, затем их меняли. Вновь поставленные винты уже через 24 ч работы начинали терять форму.

В США на одной из рек возвели гидростанцию. Воду подняли до проектной отметки и пустили к турбинам. Раздался грохот, словно в недрах станции начали рваться фугасы. Испуганные инженеры бросились перекрывать воду. Следов от якобы подложенных под станцию фугасов не оказалось. Зато на стенах водоподводящих туннелей тут и там были вырваны куски бетона – непонятная причина привела в ярость поток воды. Ничего подобного до сих пор гидростроителям видеть не приходилось.

Так вода стала неожиданным и непреодолимым барьером на пути увеличения скорости морских судов, вращения турбин, насосов, увеличения скорости потока в обыкновенных трубах. Она превратилась во врага номер один гидравлической техники.

Кавитация... Это замечательно!

Представьте себе горизонтальную трубу, по которой течет вода. Пусть на каком-то участке трубы из каких-то конструктивных соображений выполнили сужение. Когда поток воды будет проходить суженный участок, скорость воды возрастет.

Неизбежное возрастание скорости легко объясняется законом сохранения вещества: через каждое сечение трубы за одно и то же время пройдет одно и то же количество воды. А чтобы то же количество успело пройти через малое сечение, вода вынуждена двигаться быстрее. При этом с уменьшением диаметра трубы вдвое скорость возрастает в четыре раза, т. е. зависимость здесь квадратичная.

Увеличение скорости означает увеличение кинетической энергии потока. На основании закона сохранения энергии последняя из ничего появиться не может. Поэтому рост кинетической энергии неизбежно вызовет падение потенциальной энергии, а роль потенциальной энергии в потоке воды выполняет давление.

Таким образом, чем меньше диаметр, тем выше в нем будет скорость и тем ниже упадет давление. В наших возможностях довести диаметр до сколь угодно малых размеров. Возрастет ли при этом скорость до бесконечности? Упадет ли давление до нуля? Нет, ничего этого не произойдет.

Как только в своем падении давление приблизится по величине к давлению насыщенных паров, начнется бурное выделение растворенных в воде газов с одновременным парообразованием. Короче говоря, вода, какой бы холодной она ни была, закипит. Кипение будет сопровождаться образованием великого множества пузырьков, тех самых безобидных пузырьков, понаблюдать которые мы предлагали вам в стакане с водопроводной водой.

Подхваченные потоком воды, пузырьки устремятся из суженного участка в широкую часть трубы. Но здесь скорость движения должна резко снизиться, а давление соответственно возрасти. Увеличение давления приведет к обратному процессу: конденсации пара, растворению газов в воде, т. е. к исчезновению пузырьков. Тут-то и начинается самое неприятное. Пузырьки будут лопаться. Их стенки, смыкаясь в тысячные доли секунды, вызовут скачок давления до сотен тысяч атмосфер. Исчезая, пузырек оставляет след – гидравлический удар. Он подобен уколу иголки. Но какому уколу! И кроме того, иголок-то мириады.

В итоге "иголочки" сделают свое коварное дело: кристалл за кристаллом начнут они "съедать" металл трубы и, если им не препятствовать, то на стенке сначала появятся раковины, а затем и сквозные дыры. На рис. 4 V ₁и P ₁– скорость и давление перед сужением. При значительном сужении скорость V в трубопроводе возрастает до некоторого критического значения V ₂=V _кp, а давление падает до давления насыщенных паров Р ₂= Р _н.п.Вода закипит. При выходе из сужения скорость V падает до V ₃, а давление возрастет до Р ₃. Здесь вода и начнет «поедать» трубу. Описанное явление получило в гидравлической технике название кавитации (по латыни «кавитас» – полость, пузырь).

Рис. 4. Возникновение кавитации в трубопроводе

Кавитация способна возникнуть не только в сужении трубы, но всюду, где изменение профиля обтекаемого тела вызовет местное возрастание скорости, значит и местное падение давления. Тек это имеет место под крыльями речных судов типа "Ракета", ставя тем самым непреодолимый барьер скорости движения. "Ракетам" именно по этой причине не суждено выйти на рубежи 80-100 км/ч.

Кавитация – непримиримый и коварный враг гидравлической техники. Она накладывает жесткое вето на увеличение скорости потока или скорости тела в потоке. Стоит нарушить запрет, и самый прочный металл, способный выдержать даже прямое попадание бронебойного снаряда, будет обращен в пыль от воздействия пузырьков обыкновенной воды.

Говорят, что нет худа без добра. Кавитация – враг гидравлической техники. Она съедает тысячи тонн металла в год, ограничивает возможности гидравлических машин, Но она же подсказала инженерам и замечательную возможность использования разрушительной способности пузырьков. Сначала кавитацию испытали на очистке деталей, там где не должно быть и тысячных долей миллиграмма грязи, например, на деталях часовых механизмов или электронных реле в космических кораблях. Результат превзошел все ожидания.

Затем кавитацию опробовали на чисто механической обработке – на зачистке заусенцев штампованных шестеренок часовых механизмов – операции чрезвычайно трудоемкой. И опять успех сверх всяких ожиданий.

Ныне установки для кавитационной очистки и обработки, изготовляемые в Советском Союзе, экспортируются в Болгарию, Великобританию, Индию и многие другие страны. Что касается степени очистки, то она так велика, что никакими известными способами не удается обнаружить после воздействия кавитации ни следов грязи, ни следов заусенцев.

Схема кавитационной обработки показана на рис. 5. В ванну загружаются детали; соленоид создает ультразвуковые колебания сердечника. Вибрация вызывает появление кавитационных пузырьков в жидкости.

Рис. 5. Схема для кавитационной обработки деталей. 1 – ванна; 2 – сердечник; 3 – соленоид

На заводе торгового оборудования мучались с очисткой внутренних поверхностей труб. Попробовали с помощью кавитации и поразились: зеркало! Такой чистоты и в ружейных стволах не бывает.

Конечно, все это лишь первые шаги. А что ждет кавитацию в области обработки металлов завтра? Наверняка ей суждено стать самым дешевым "инструментом" для самой чистовой обработки всех металлов без исключения. И любых металлических сплавов. Даже таких, которые не по зубам современному алмазному резцу.

Прочность воды

Как представить себе прочность жидкости? А так же, как и твердого тела: она должна «работать» на деформации сжатия, растяжения, кручения, сдвига, изгиба.

Известно, что если на каждый квадратный сантиметр поверхности воды создать избыточное давление в 100 кПа, то первоначальный объем воды уменьшится на 1/21000. Величина практически ничтожная и показывающая, что при малых давлениях вода отлично "работает" на деформацию сжатия.

Но сегодняшней технике по плечу давления в десятки и сотни тысяч атмосфер. И тогда выясняется, что вода – весьма податливая жидкость. Принято считать, что вода в 100 раз менее упруга, чем сталь.

А как вода ведет себя на деформацию растяжения? В самом деле, как представить стержень из воды, который одним концом закреплен, а на другой действует растягивающая сила?! Но вспомним о поверхностном натяжении, которым обладает любая жидкость, а вода в особенности. Частицы, лежащие на поверхности, жидкости, имеют более значительные силы сцепления. Они образуют как бы своеобразную пленку, и чтобы порвать эту пленку, нужно приложить весьма заметные растягивающие (обратите внимание – растягивающие!) усилия. Чтобы убедиться в этом, попробуйте оторвать друг от друга смоченные водой стеклянные пластинки. Не удается! Их скрепляет поверхностное натяжение. Из всех известных на Земле жидкостей только ртуть обладает более мощным поверхностным натяжением.

Теоретические исследования и эксперименты над поверхностным натяжением воды привели физиков к неожиданному результату: если бы удалось создать идеально чистую воду, т. е. такую, в которой полностью отсутствовали бы механические примеси и растворенные газы, то для разрыва стержня из такой воды диаметром в 1 см потребовалась бы сила в 367,3 кН! Иными словами, идеальной воде по плечу растягивающие (и, разумеется, сжимающие) напряжения в 47745*10 ⁵Па. Это, по крайней мере, в 100 раз превосходит прочность лучших известных сегодня сортов стали.

Получить идеально чистую воду пока еще никому не удавалось, и даже пути к достижению такой цели предсказать невозможно. Но если сама возможность доказана теорией, то вряд ли кто-нибудь станет отрицать ее практическое воплощение хотя бы в далеком будущем. Без сомнения, придет время, когда сверхпрочную воду смогут получать сначала в лабораториях, а затем и на промышленных предприятиях.

И вода со временем станет отличным машиностроительным материалом. Заводы освоят изготовление из воды деталей различных машин. Эти детали будут выгодно отличаться от стальных не только сверхпрочностью, но и сверхлегкостью, будут прозрачными и, малейшие пороки в их структуре легко будет обнаружить визуально. Технология изготовления водяных деталей достигнет предельной простоты: налил в форму, нажал кнопку очищающего устройства и... деталь готова. Отпадает необходимость в последующих механической и термической обработках.

Главное же – водяное сырье избавит человечество от трудоемкой добычи металлических руд (а может быть, к тому времени металлические руды вообще окажутся исчерпанными), которые к тому же нуждаются в обогащении, очистке, транспортировке, многократной переплавке. Исчезнут домны-гиганты, дымные металлургические комбинаты, громоздкие прокатные станы, исполины прессы.

"Жидкая руда" будет всегда под рукой: бери из любой реки. Мало – в твоем распоряжении Мировой океан.

Возможность обращать воду в металлически твердое состояние позволит наводить мосты не только через реки, но и через моря. Постоянные или временные – в зависимости от необходимости.

Разумеется, это из области фантастики. Пока.

Четвертое состояние воды

Помните: «Эврика! Эврика!».

Мудрый Архимед открыл понятие плотности воды. С тех пор плотность воды принята за эталон плотности, по которому определяют плотность всех прочих веществ. Плотностью вещества называют количество массы, содержащейся в единице объема, например в 1 см ³. Плотность воды принята за единицу. Это значит, что в 1 см ³может заключиться ровно 1 г массы. И величина эта со времен Архимеда оставалась незыблемой.

Но вот незыблемость плотности воды оказалась поколебленной. Началось с серебристых облаков, удивительного и сказочного явления природы. Их можно наблюдать только в северных широтах вскоре после заката солнца или перед рассветом. Серебристые облака, просеивая лучи невидимого с земли солнца, излучают нежное серебристое сияние.

Обычные облака выше 10 км не забираются. Серебристые парят на высотах 80-90 км. До сих пор существовало убеждение, что они представляют собой скопление мельчайших кристалликов льда. Изучая их, анализируя поглощающую и преломляющую способность, молодой советский астрофизик Олег Васильев сделал любопытное открытие. Солнечные лучи вели себя так, словно проходили не сквозь кристаллики льда, а сквозь капельки воды.

Вода на высоте 90 км, где царит холод уже космического пространства, не может там оставаться обыкновенной водой, она должна находиться в каком-то ином состоянии. В каком же?

Рис. 6. Тепловое расширение воды в капиллярах. 1 – обыкновенная вода I; 2 – вода II

В 1959 г. доценту костромского текстильного института Н. Н. Федякину удалось разработать технологию изготовления сверхтонких стеклянных капилляров с радиусом до 0,000017 мм. Наблюдая расширение столбиков воды в этих капиллярах при нагревании, он получил странную закономерность. В капиллярах с радиусом более 1 мкм (0,001 мм) в интервалах от 0 до +4 °С проявлялась известная нам аномалия воды – столбик укорачивался. При + 4°С его длина становилась наименьшей, а при дальнейшем нагревании все шло как должно быть – столбик начинал удлиняться, плотность воды падала. Но в самых узких капиллярах вода изменяла своей "таинственной" аномальности. Здесь удлинение столбика происходило на всем диапазоне температур, и коэффициент расширения оставался постоянным (рис. 6). Дальнейшие исследования велись в отделе поверхностных явлений Института физической химии АН СССР под руководством Б. В. Дерягина.

Схема получения "дерягинской" воды показана на рис. 7. При откачке воздуха из сосуда Дьюара вода из пробирки, помещенной в термостат, испаряется. На стенках сосуда 1 конденсируется обыкновенная вода I, а в капилляре – вода II.

Рис. 7. Схема установки для получения воды II. 1 – сосуд Дьюара; 2 – пробирка; 3 – термостат; 4 – капилляр

Выяснилось, что в сверхузких капиллярах вода, оставаясь по химическому составу все той же Н2О, резко меняет свои физические свойства. Ее назвали водой II.

Прежде всего оказалось, что вода II почти в 1,5 раза плотнее обыкновенной воды I. Вязкость ее в 15-20 раз больше. По своей вязкости вода II напоминает вазелин – обмакни в нее палец, и она потянется за ним, как смола. Вода II не замерзает при 0°С; при -100°С она, не образуя льда, сразу вся, вследствие еще более резкого увеличения вязкости, переходит в стекловидное состояние, а закипает лишь при +300°С. Когда температура достигнет 700-800°С, пары ее распадаются, превращаясь в пары обыкновенной воды I.

Сообщение об открытии советских ученых было встречено за рубежом с явным недоверием. Только 7 лет спустя, после публикации работы Б. В. Дерягина, в конце 1969 г. лаборатория английской фирмы "Юнивелер" подтвердила опыты Н. Н. Федякина и Б. В. Дерягина. Ныне уже десятки исследовательских учреждений в США, Великобритании, Бельгии, Франции изучают "дерягинскую" воду II.

Природа воды II пока остается загадкой. Существует несколько противоречивых точек зрения. Одни исследователи считают, что "виной" всему примеси, неизбежно имеющиеся в воде. Другие утверждают, что при конденсации паров на поверхности стекла или кварца имеют место каталитические процессы, способствующие переходу воды в такое состояние, какого не получить на поверхности других веществ. Третьи, и к ним относится Б. В. Дерягин, полагают, что в сверхтонких капиллярах происходит полимеризация молекул воды, образование цепей типа (Н ₂О)n. Многие за рубежом воду II так и называют поливодой.

Наши симпатии на стороне последних, и не только потому что к ним принадлежит наш соотечественник и первооткрыватель воды II, Полимерная гипотеза Б. В. Дерягина приближает к реальным воплощениям все самые фантастические предсказания о возможных превращениях Обыкновенной воды.

Не замерзающая, не дающая льда, закипающая при температуре красного каления стали, вода II найдет самое широкое применение в технике наших дней. Мы нисколько не сомневаемся, что овладение процессом полимеризации воды позволит создать совершенно новую отрасль большой химии – комбинаты по производству волокна из водяных полимерных нитей. Это будет удивительнейшая ткань. Во-первых, мы можем предположить, что в полимерных нитях Н ₂О в какой-то степени проявится потенциально скрытая в воде сверхпрочность. Во-вторых, поскольку водяные нити будут обладать сверхпрочностью, их можно будет изготовлять более тонкими, чем самые тонкие современные капроновые или нейлоновые нити. И, наконец, в-третьих, водяная ткань сохранит многие аномальные свойства воды: ее огромную теплоемкость, высокую диэлектрическую постоянную и пр.

Короче говоря, мы беремся утверждать, что в недалеком будущем человечество наденет одежду, какой не знали самые волшебные сказки народов мира: бесконечно тонкую, бесконечно прочную, укрывающую от любой жары и от любого холода. В такой одежде люди смогут в равной степени расхаживать и под палящими лучами солнца Сахары и среди 80-градусных морозов Антарктиды. Легкий костюм из водяной ткани освободит космонавта от тяжелого и громоздкого скафандра, позволит ему находиться в открытом космосе без всякой дополнительной защиты.

Что касается сырья для нашей волшебной ткани, то недостатка в нем текстильная промышленность (как и металлургическая) никогда не испытает.

А пока не она ли, вода II, украшает наш небосклон серебристыми облаками? Впрочем, кажется, не только небосклон Земли. Изучением отраженного света от облаков нашей космической соседки Венеры установлено, что в этих облаках имеются капельки воды с показателем преломления 1,5. Именно такая величина показателя преломления у "дерягинской" воды и у серебристых облаков.

Советский астроном В. Бронштэн и американский Донахью независимо друг от друга высказали одинаковые предположения, что капельки полимерной воды в атмосфере Венеры сконденсировались на мельчайших пылинках – продуктах выветривания венерианских пород.

Каким путем пришли эти капельки в облака Венеры и в серебристые облака Земли? С поверхности планеты? Едва ли. Более вероятным кажется Другое предположение – это чисто космическая вода, продукт синтеза падающих из космоса водородных протонов с электронами и атомами кислорода в атмосфере обеих планет.