Japāņu fiziķis Masakazu Matsumoto ir izvirzījis teoriju, kas izskaidro, kāpēc ūdens saraujas, nevis izplešas, sildot no 0 līdz 4°C. Pēc viņa modeļa ūdens satur mikroformācijas - “vitrītus”, kas ir izliekti dobi daudzskaldņi, kuru virsotnēs ir ūdens molekulas, bet malas ir ūdeņraža saites. Temperatūrai paaugstinoties, savā starpā sacenšas divas parādības: ūdeņraža saišu pagarināšanās starp ūdens molekulām un vitrītu deformācija, kas izraisa to dobumu samazināšanos. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 3,98°C pēdējā parādība dominē ūdeņraža saišu pagarināšanās efektā, kas galu galā rada novēroto ūdens saspiešanu. Pagaidām Matsumoto modelim nav eksperimentāla apstiprinājuma, taču, tāpat kā citas teorijas, kas izskaidro ūdens saspiešanu.
Atšķirībā no lielākās daļas vielu, ūdens karsējot var samazināt savu tilpumu (1. att.), tas ir, tam ir negatīvs termiskās izplešanās koeficients. Tomēr mēs nerunājam par visu temperatūras diapazonu, kurā ūdens pastāv šķidrā stāvoklī, bet tikai par šauru posmu - no 0°C līdz aptuveni 4°C. Augstā temperatūrā ūdens, tāpat kā citas vielas, izplešas.
Starp citu, ūdens nav vienīgā viela, kurai ir īpašība sarauties, kad temperatūra paaugstinās (vai izplešas atdziestot). Bismuts, gallijs, silīcijs un antimons arī var lepoties ar līdzīgu uzvedību. Taču, pateicoties tā sarežģītākai iekšējai uzbūvei, kā arī izplatībai un nozīmei dažādos procesos, tieši ūdens piesaista zinātnieku uzmanību (sk. Ūdens struktūras izpēte turpinās, “Elementi”, 10.09.2006. ).
Pirms kāda laika vispārpieņemtā teorija, kas atbildēja uz jautājumu, kāpēc ūdens, temperatūrai pazeminoties, palielina tilpumu (1. att.), bija divu komponentu – “normāla” un “ledus līdzīgā” – maisījuma modelis. Šo teoriju 19. gadsimtā pirmo reizi ierosināja Harolds Vaitings, un vēlāk to izstrādāja un uzlaboja daudzi zinātnieki. Salīdzinoši nesen atklātā ūdens polimorfisma ietvaros Vītinga teorija tika pārdomāta. Tagad tiek uzskatīts, ka pārdzesētā ūdenī ir divu veidu ledus līdzīgi nanodomēni: augsta blīvuma un zema blīvuma amorfie ledus līdzīgie reģioni. Pārdzesēta ūdens sildīšana noved pie šo nanostruktūru kušanas un divu veidu ūdens parādīšanās: ar lielāku un mazāku blīvumu. Viltīgā temperatūras konkurence starp divām iegūtā ūdens “pakāpēm” rada nemonotonisku blīvuma atkarību no temperatūras. Tomēr šī teorija vēl nav eksperimentāli apstiprināta.
Ar šo skaidrojumu jums jābūt uzmanīgiem. Nav nejaušība, ka mēs šeit runājam tikai par struktūrām, kas atgādina amorfu ledu. Fakts ir tāds, ka amorfā ledus un tā makroskopisko analogu nanoskopiskajiem reģioniem ir atšķirīgi fizikālie parametri.
Japāņu fiziķis Masakazu Matsumoto nolēma atrast skaidrojumu šeit apspriestajam efektam “no nulles”, atsakoties no divkomponentu maisījuma teorijas. Izmantojot datorsimulācijas, viņš aplūkoja ūdens fizikālās īpašības plašā temperatūras diapazonā - no 200 līdz 360 K pie nulles spiediena -, lai molekulārā mērogā saprastu patiesos iemeslus ūdens izplešanās brīdim, kad tas atdziest. Viņa raksts žurnālā Physical Review Letters saucas: Kāpēc ūdens izplešas, kad tas atdziest? ("Kāpēc ūdens izplešas, kad tas atdziest?").
Sākotnēji raksta autors uzdeva jautājumu: kas ietekmē ūdens termiskās izplešanās koeficientu? Matsumoto uzskata, ka šim nolūkam ir pietiekami noskaidrot tikai trīs faktoru ietekmi: 1) ūdeņraža saišu garuma izmaiņas starp ūdens molekulām, 2) topoloģiskais indekss - saišu skaits vienā ūdens molekulā un 3) novirze no ūdens molekulām. leņķis starp saitēm no līdzsvara vērtības (leņķa deformācija).
Rīsi. 2. Ūdens molekulām “visērtāk” ir apvienoties klasteros, kuru leņķis starp ūdeņraža saitēm ir vienāds ar 109,47 grādiem. Šo leņķi sauc par tetraedru, jo tas ir leņķis, kas savieno regulāra tetraedra centru un tā divas virsotnes. Attēls no lsbu.ac.uk
Pirms runājam par japāņu fiziķa iegūtajiem rezultātiem, mēs sniegsim svarīgus komentārus un precizējumus par iepriekšminētajiem trim faktoriem. Pirmkārt, parastā ūdens ķīmiskā formula H 2 O atbilst tikai tā tvaika stāvoklim. Šķidrā veidā ūdens molekulas caur ūdeņraža saitēm tiek apvienotas grupās (H 2 O) x, kur x ir molekulu skaits. Enerģētiski vislabvēlīgākā kombinācija ir piecas ūdens molekulas (x = 5) ar četrām ūdeņraža saitēm, kurās saites veido līdzsvaru, tā saukto tetraedra leņķi, kas vienāds ar 109,47 grādiem (sk. 2. att.).
Izanalizējis ūdeņraža saites garuma atkarību starp ūdens molekulām no temperatūras, Matsumoto nonāca pie gaidītā secinājuma: temperatūras paaugstināšanās izraisa ūdeņraža saišu lineāru pagarinājumu. Un tas, savukārt, noved pie ūdens tilpuma palielināšanās, tas ir, tā paplašināšanās. Šis fakts ir pretrunā ar novērotajiem rezultātiem, tāpēc viņš tālāk pētīja otrā faktora ietekmi. Kā termiskās izplešanās koeficients ir atkarīgs no topoloģiskā indeksa?
Datormodelēšana deva šādu rezultātu. Zemās temperatūrās procentuāli lielāko ūdens tilpumu aizņem ūdens kopas, kuru molekulā ir 4 ūdeņraža saites (topoloģiskais indekss ir 4). Temperatūras paaugstināšanās izraisa asociēto ar indeksu 4 skaita samazināšanos, bet tajā pašā laikā sāk pieaugt klasteru skaits ar indeksiem 3 un 5. Veicis skaitliskos aprēķinus, Matsumoto atklāja, ka lokālais klasteru apjoms ar topoloģisko. indekss 4 praktiski nemainās, palielinoties temperatūrai, un kopējā asociēto vielu tilpuma izmaiņas ar indeksiem 3 un 5 jebkurā temperatūrā savstarpēji kompensē viens otru. Līdz ar to temperatūras izmaiņas nemaina kopējo ūdens tilpumu, un tāpēc topoloģiskajam indeksam nav nekādas ietekmes uz ūdens saspiešanu, kad tas tiek uzkarsēts.
Vēl ir jānoskaidro ūdeņraža saišu leņķiskās deformācijas ietekme. Un šeit sākas pats interesantākais un svarīgākais. Kā minēts iepriekš, ūdens molekulām ir tendence apvienoties tā, ka leņķis starp ūdeņraža saitēm ir tetraedrisks. Tomēr ūdens molekulu termiskās vibrācijas un mijiedarbība ar citām klasterī neiekļautajām molekulām neļauj tām to izdarīt, novirzot ūdeņraža saites leņķi no līdzsvara vērtības 109,47 grādi. Lai kaut kā kvantitatīvi raksturotu šo leņķiskās deformācijas procesu, Matsumoto un kolēģi, pamatojoties uz savu iepriekšējo darbu Ūdeņraža saišu tīklu topoloģiskie celtniecības bloki ūdenī, kas publicēti 2007. gadā žurnālā Journal of Chemical Physics, izvirzīja hipotēzi par trīsdimensiju mikrostruktūru esamību ūdenī, kas. atgādina izliektu dobu daudzskaldni. Vēlāk turpmākajās publikācijās viņi šādas mikrostruktūras sauca par vitrītiem (3. att.). Tajos virsotnes ir ūdens molekulas, malu lomu spēlē ūdeņraža saites, bet leņķis starp ūdeņraža saitēm ir leņķis starp malām vitrītā.
Saskaņā ar Matsumoto teoriju ir ļoti daudz dažādu vitrītu formu, kas, tāpat kā mozaīkas elementi, veido lielāko daļu ūdens struktūras un vienlaikus vienmērīgi aizpilda visu tā tilpumu.
Rīsi. 3. Seši tipiski vitrīti, kas veido ūdens iekšējo struktūru. Bumbiņas atbilst ūdens molekulām, segmenti starp bumbiņām norāda uz ūdeņraža saitēm. Vitrīti apmierina slaveno Eilera teorēmu daudzskaldnim: kopējais virsotņu un skaldņu skaits mīnus malu skaits ir vienāds ar 2. Tas nozīmē, ka vitrīti ir izliekti daudzskaldņi. Citus vitrīta veidus var apskatīt vietnē vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Rīsi. no Masakazu Matsumoto, Akinori Baba un Iwao Ohminea Network Motif of Water raksta, kas publicēts AIP Conf. Proc.
Ūdens molekulas vitrītos mēdz veidot tetraedriskus leņķus, jo vitrītiem jābūt ar viszemāko iespējamo enerģiju. Tomēr termisko kustību un lokālās mijiedarbības ar citiem vitrītiem dēļ dažām mikrostruktūrām nav ģeometrijas ar tetraedriskiem leņķiem (vai leņķiem, kas ir tuvu šai vērtībai). Viņi pieņem tādas strukturāli nelīdzsvarotas konfigurācijas (kas viņiem nav vislabvēlīgākās no enerģētiskā viedokļa), kas ļauj visai vitrītu “ģimenei” kopumā iegūt zemāko enerģētisko vērtību starp iespējamajām. Šādus vitrītus, tas ir, vitrītus, kas, šķiet, upurē "kopējām enerģētiskajām interesēm", sauc par neapmierinātiem. Ja nefrustrēta vitrīta gadījumā dobuma tilpums ir maksimālais noteiktā temperatūrā, tad neapmierinātajam vitrītam, gluži pretēji, ir minimālais iespējamais tilpums.
Matsumoto veiktā datormodelēšana parādīja, ka vidējais vitrīta dobumu tilpums samazinās lineāri, palielinoties temperatūrai. Šajā gadījumā neapmierināts vitrīts ievērojami samazina tā apjomu, savukārt nefrustrētā vitrīta dobuma tilpums paliek gandrīz nemainīgs.
Tātad ūdens saspiešanu, palielinoties temperatūrai, izraisa divi konkurējoši efekti - ūdeņraža saišu pagarināšanās, kas izraisa ūdens tilpuma palielināšanos, un neapmierināto vitrītu dobumu tilpuma samazināšanās. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 4°C, kā liecina aprēķini, dominē pēdējā parādība, kas galu galā noved pie novērotās ūdens saspiešanas, palielinoties temperatūrai.
Atliek gaidīt eksperimentālu apstiprinājumu vitrītu esamībai un to uzvedībai. Bet tas, diemžēl, ir ļoti grūts uzdevums.
Japāņu fiziķis Masakazu Matsumoto ir izvirzījis teoriju, kas izskaidro, kāpēc ūdens saraujas, nevis izplešas, sildot no 0 līdz 4°C. Pēc viņa modeļa ūdens satur mikroformācijas - “vitrītus”, kas ir izliekti dobi daudzskaldņi, kuru virsotnēs ir ūdens molekulas, bet malas ir ūdeņraža saites. Temperatūrai paaugstinoties, savā starpā sacenšas divas parādības: ūdeņraža saišu pagarināšanās starp ūdens molekulām un vitrītu deformācija, kas izraisa to dobumu samazināšanos. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 3,98°C pēdējā parādība dominē ūdeņraža saišu pagarināšanās efektā, kas galu galā rada novēroto ūdens saspiešanu. Pagaidām nav eksperimentāla apstiprinājuma Matsumoto modelim, kā arī citām teorijām, kas izskaidro ūdens saspiešanu.
Atšķirībā no lielākās daļas vielu, ūdens karsējot var samazināt savu tilpumu (1. att.), tas ir, tam ir negatīvs termiskās izplešanās koeficients. Tomēr mēs nerunājam par visu temperatūras diapazonu, kurā ūdens pastāv šķidrā stāvoklī, bet tikai par šauru posmu - no 0°C līdz aptuveni 4°C. Ar b O Augstākā temperatūrā ūdens, tāpat kā citas vielas, izplešas.
Starp citu, ūdens nav vienīgā viela, kurai ir īpašība sarauties, kad temperatūra paaugstinās (vai izplešas atdziestot). Bismuts, gallijs, silīcijs un antimons arī var lepoties ar līdzīgu uzvedību. Taču, pateicoties tā sarežģītākai iekšējai uzbūvei, kā arī izplatībai un nozīmei dažādos procesos, tieši ūdens piesaista zinātnieku uzmanību (sk. Ūdens struktūras izpēte turpinās, “Elementi”, 10.09.2006. ).
Pirms kāda laika vispārpieņemtā teorija, kas atbildēja uz jautājumu, kāpēc ūdens, temperatūrai pazeminoties, palielina tilpumu (1. att.), bija divu komponentu – “normāla” un “ledus līdzīgā” – maisījuma modelis. Šo teoriju 19. gadsimtā pirmo reizi ierosināja Harolds Vaitings, un vēlāk to izstrādāja un uzlaboja daudzi zinātnieki. Salīdzinoši nesen atklātā ūdens polimorfisma ietvaros Vītinga teorija tika pārdomāta. Tagad tiek uzskatīts, ka pārdzesētā ūdenī ir divu veidu ledus līdzīgi nanodomēni: augsta blīvuma un zema blīvuma amorfie ledus līdzīgie reģioni. Pārdzesēta ūdens sildīšana noved pie šo nanostruktūru kušanas un divu veidu ūdens parādīšanās: ar lielāku un mazāku blīvumu. Viltīgā temperatūras konkurence starp divām iegūtā ūdens “pakāpēm” rada nemonotonisku blīvuma atkarību no temperatūras. Tomēr šī teorija vēl nav eksperimentāli apstiprināta.
Ar šo skaidrojumu jums jābūt uzmanīgiem. Nav nejaušība, ka mēs šeit runājam tikai par struktūrām, kas atgādina amorfu ledu. Fakts ir tāds, ka amorfā ledus un tā makroskopisko analogu nanoskopiskajiem reģioniem ir atšķirīgi fizikālie parametri.
Japāņu fiziķis Masakazu Matsumoto nolēma atrast skaidrojumu šeit apspriestajam efektam “no nulles”, atsakoties no divkomponentu maisījuma teorijas. Izmantojot datorsimulācijas, viņš pētīja ūdens fizikālās īpašības plašā temperatūras diapazonā - no 200 līdz 360 K pie nulles spiediena -, lai molekulārā mērogā saprastu patiesos iemeslus ūdens izplešanās brīdim, kad tas atdziest. Viņa raksts žurnālā Fiziskās apskates vēstules to sauc: Kāpēc ūdens izplešas, kad tas atdziest? ("Kāpēc ūdens izplešas, kad tas atdziest?").
Sākotnēji raksta autors uzdeva jautājumu: kas ietekmē ūdens termiskās izplešanās koeficientu? Matsumoto uzskata, ka šim nolūkam ir pietiekami noskaidrot tikai trīs faktoru ietekmi: 1) ūdeņraža saišu garuma izmaiņas starp ūdens molekulām, 2) topoloģiskais indekss - saišu skaits vienā ūdens molekulā un 3) novirze no ūdens molekulām. leņķis starp saitēm no līdzsvara vērtības (leņķa deformācija).
Pirms runājam par japāņu fiziķa iegūtajiem rezultātiem, mēs sniegsim svarīgus komentārus un precizējumus par iepriekšminētajiem trim faktoriem. Pirmkārt, parastā ūdens ķīmiskā formula H 2 O atbilst tikai tā tvaika stāvoklim. Šķidrā veidā ūdens molekulas tiek apvienotas grupās (H 2 O), izmantojot ūdeņraža saiti. x, Kur x- molekulu skaits. Enerģētiski vislabvēlīgākā piecu ūdens molekulu kombinācija ( x= 5) ar četrām ūdeņraža saitēm, kurās veidojas saites līdzsvars, ts tetraedrisks leņķis, vienāds ar 109,47 grādiem (sk. 2. att.).
Izanalizējis ūdeņraža saites garuma atkarību starp ūdens molekulām no temperatūras, Matsumoto nonāca pie gaidītā secinājuma: temperatūras paaugstināšanās izraisa ūdeņraža saišu lineāru pagarinājumu. Un tas, savukārt, noved pie ūdens tilpuma palielināšanās, tas ir, tā paplašināšanās. Šis fakts ir pretrunā ar novērotajiem rezultātiem, tāpēc viņš tālāk pētīja otrā faktora ietekmi. Kā termiskās izplešanās koeficients ir atkarīgs no topoloģiskā indeksa?
Datormodelēšana deva šādu rezultātu. Zemās temperatūrās procentuāli lielāko ūdens tilpumu aizņem ūdens kopas, kuru molekulā ir 4 ūdeņraža saites (topoloģiskais indekss ir 4). Temperatūras paaugstināšanās izraisa asociēto ar indeksu 4 skaita samazināšanos, bet tajā pašā laikā sāk pieaugt klasteru skaits ar indeksiem 3 un 5. Veicis skaitliskos aprēķinus, Matsumoto atklāja, ka lokālais klasteru apjoms ar topoloģisko. indekss 4 praktiski nemainās, palielinoties temperatūrai, un kopējā asociēto vielu tilpuma izmaiņas ar indeksiem 3 un 5 jebkurā temperatūrā savstarpēji kompensē viens otru. Līdz ar to temperatūras izmaiņas nemaina kopējo ūdens tilpumu, un tāpēc topoloģiskajam indeksam nav nekādas ietekmes uz ūdens saspiešanu, kad tas tiek uzkarsēts.
Vēl ir jānoskaidro ūdeņraža saišu leņķiskās deformācijas ietekme. Un šeit sākas pats interesantākais un svarīgākais. Kā minēts iepriekš, ūdens molekulām ir tendence apvienoties tā, ka leņķis starp ūdeņraža saitēm ir tetraedrisks. Tomēr ūdens molekulu termiskās vibrācijas un mijiedarbība ar citām klasterī neiekļautajām molekulām neļauj tām to izdarīt, novirzot ūdeņraža saites leņķi no līdzsvara vērtības 109,47 grādi. Lai kaut kādā veidā kvantitatīvi raksturotu šo leņķiskās deformācijas procesu, Matsumoto un kolēģi, pamatojoties uz savu iepriekšējo darbu Ūdeņraža saišu tīklu topoloģiskie celtniecības bloki ūdenī, kas publicēti 2007. Ķīmiskās fizikas žurnāls, izvirzīja hipotēzi, ka ūdenī pastāv trīsdimensiju mikrostruktūras, kas atgādina izliektus dobus daudzskaldņus. Vēlāk turpmākajās publikācijās viņi nosauca šādas mikrostruktūras vitrīnas(3. att.). Tajos virsotnes ir ūdens molekulas, malu lomu spēlē ūdeņraža saites, bet leņķis starp ūdeņraža saitēm ir leņķis starp malām vitrītā.
Saskaņā ar Matsumoto teoriju ir ļoti daudz dažādu vitrītu formu, kas, tāpat kā mozaīkas elementi, veido lielāko daļu ūdens struktūras un vienlaikus vienmērīgi aizpilda visu tā tilpumu.
Ūdens molekulas vitrītos mēdz veidot tetraedriskus leņķus, jo vitrītiem jābūt ar viszemāko iespējamo enerģiju. Tomēr termisko kustību un lokālās mijiedarbības ar citiem vitrītiem dēļ dažām mikrostruktūrām nav ģeometrijas ar tetraedriskiem leņķiem (vai leņķiem, kas ir tuvu šai vērtībai). Viņi pieņem tādas strukturāli nelīdzsvarotas konfigurācijas (kas viņiem nav vislabvēlīgākās no enerģētiskā viedokļa), kas ļauj visai vitrītu “ģimenei” kopumā iegūt zemāko enerģētisko vērtību starp iespējamajām. Šādus vitrītus, tas ir, vitrītus, kas, šķiet, upurē "kopējām enerģētiskajām interesēm", sauc par neapmierinātiem. Ja nefrustrēta vitrīta gadījumā dobuma tilpums ir maksimālais noteiktā temperatūrā, tad neapmierinātajam vitrītam, gluži pretēji, ir minimālais iespējamais tilpums.
Matsumoto veiktā datormodelēšana parādīja, ka vidējais vitrīta dobumu tilpums samazinās lineāri, palielinoties temperatūrai. Šajā gadījumā neapmierināts vitrīts ievērojami samazina tā apjomu, savukārt nefrustrētā vitrīta dobuma tilpums paliek gandrīz nemainīgs.
Tātad ūdens saspiešanu, palielinoties temperatūrai, izraisa divi konkurējoši efekti - ūdeņraža saišu pagarināšanās, kas izraisa ūdens tilpuma palielināšanos, un neapmierināto vitrītu dobumu tilpuma samazināšanās. Temperatūras diapazonā no 0 līdz 4°C pēdējā parādība, kā liecina aprēķini, dominē, kas galu galā noved pie novērotās ūdens saspiešanas, palielinoties temperatūrai.
Atliek gaidīt eksperimentālu apstiprinājumu vitrītu esamībai un to uzvedībai. Bet tas, diemžēl, ir ļoti grūts uzdevums.
Mūs ieskauj ūdens, pats par sevi, kā daļa no citām vielām un ķermeņiem. Tas var būt cietā, šķidrā vai gāzveida formā, bet ūdens vienmēr ir mums apkārt. Kāpēc uz ceļiem plaisā asfalts, kāpēc aukstumā pārsprāgst stikla burka, kāpēc aukstajā sezonā aizsvīst logi, kāpēc lidmašīna atstāj baltas pēdas debesīs - uz visiem šiem jautājumiem meklēsim atbildes un citi šīs nodarbības “kāpēc”. Uzzināsim, kā mainās ūdens īpašības, sildot, atdzesējot un sasalstot, kā veidojas pazemes alas un dīvainas figūras tajās, kā darbojas termometrs.
Tēma: Nedzīvā daba
Nodarbība: Šķidra ūdens īpašības
Ūdenim tīrā veidā nav ne garšas, ne smaržas, ne krāsas, taču gandrīz nekad tāds nav, jo tas aktīvi izšķīdina lielāko daļu vielu sevī un savienojas ar to daļiņām. Ūdens var iekļūt arī dažādos ķermeņos (zinātnieki ir atraduši ūdeni pat akmeņos).
Ja piepildīsiet glāzi ar krāna ūdeni, tā izskatīsies tīra. Bet patiesībā tas ir daudzu vielu šķīdums, starp kuriem ir gāzes (skābeklis, argons, slāpeklis, oglekļa dioksīds), dažādi gaisā esošie piemaisījumi, izšķīdušie sāļi no augsnes, dzelzs no ūdensvadiem, sīkas neizšķīdušas putekļu daļiņas utt.
Ja uz tīra stikla ar pipeti uzpilināt krāna ūdens pilienus un ļaujot tam iztvaikot, paliks tikko redzami plankumi.
Upju un strautu un vairuma ezeru ūdens satur dažādus piemaisījumus, piemēram, izšķīdušos sāļus. Bet tādu ir maz, jo šis ūdens ir svaigs.
Ūdens plūst pa zemi un pazemē, piepilda straumes, ezerus, upes, jūras un okeānus, veidojot pazemes pilis.
Caur viegli šķīstošām vielām ūdens iekļūst dziļi pazemē, paņemdams tās sev līdzi, un caur klinšu spraugām un plaisām, veidojot pazemes alas, pilot no to jumtiem, veidojot dīvainas skulptūras. Miljardiem ūdens pilienu iztvaiko simtiem gadu, un ūdenī izšķīdušās vielas (sāļi, kaļķakmeņi) nosēžas uz alu arkām, veidojot akmens lāstekas, ko sauc par stalaktītiem.
Līdzīgus veidojumus alas grīdā sauc par stalagmītiem.
Un, kad stalaktīts un stalagmīts aug kopā, veidojot akmens kolonnu, to sauc par stalagnātu.
Vērojot ledus dreifēšanu uz upes, mēs redzam ūdeni cietā (ledus un sniegs), šķidrā (tek apakšā) un gāzveida stāvoklī (sīkas ūdens daļiņas, kas paceļas gaisā, ko sauc arī par ūdens tvaikiem).
Ūdens var būt visos trīs stāvokļos vienlaikus: gaisā vienmēr ir ūdens tvaiki un mākoņi, kas sastāv no ūdens pilieniem un ledus kristāliem.
Ūdens tvaiki ir neredzami, taču tos var viegli noteikt, ja uz stundu atstājat ledusskapī atdzesētu ūdens glāzi siltā telpā, uz glāzes sieniņām uzreiz parādīsies ūdens pilieni. Saskaroties ar stikla aukstajām sieniņām, gaisā esošie ūdens tvaiki pārvēršas ūdens pilienos un nosēžas uz stikla virsmas.
Rīsi. 11. Kondensāts uz auksta stikla sienām ()
Tā paša iemesla dēļ aukstajā sezonā loga stikla iekšpuse aizsvīst. Auksts gaiss nevar saturēt tik daudz ūdens tvaiku kā siltais gaiss, tāpēc daļa no tā kondensējas – pārvēršas ūdens pilienos.
Baltā pēda aiz debesīs lidojošas lidmašīnas arī ir ūdens kondensācijas rezultāts.
Pienesot pie lūpām spoguli un izelpojot, uz tā virsmas paliks sīkas ūdens lāsītes, tas pierāda, ka elpojot cilvēks kopā ar gaisu ieelpo ūdens tvaikus.
Kad ūdens tiek uzkarsēts, tas "paplašinās". To var pierādīt ar vienkāršu eksperimentu: ūdens kolbā tika nolaista stikla caurule un izmērīts ūdens līmenis tajā; pēc tam kolbu nolaida traukā ar siltu ūdeni un pēc ūdens sildīšanas atkārtoti izmērīja līmeni mēģenē, kas manāmi paaugstinājās, jo sildot ūdenim palielinās tilpums.
Rīsi. 14. Kolba ar caurulīti, skaitlis 1 un līnija norāda sākotnējo ūdens līmeni
Rīsi. 15. Kolba ar caurulīti, cipars 2 un līnija norāda ūdens līmeni sildot
Kad ūdens atdziest, tas “saspiežas”. To var pierādīt ar līdzīgu eksperimentu: šajā gadījumā kolba ar cauruli tika nolaista traukā ar ledu, pēc atdzesēšanas ūdens līmenis caurulē samazinājās attiecībā pret sākotnējo atzīmi, jo ūdens samazinājās tilpumā.
Rīsi. 16. Kolba ar caurulīti, cipars 3 un līnija norāda ūdens līmeni dzesēšanas laikā
Tas notiek tāpēc, ka ūdens daļiņas, molekulas, karsējot kustas ātrāk, saduras viena ar otru, tiek atgrūstas no trauka sieniņām, palielinās attālums starp molekulām un līdz ar to šķidrums aizņem lielāku tilpumu. Kad ūdens atdziest, tā daļiņu kustība palēninās, attālums starp molekulām samazinās, un šķidrumam ir nepieciešams mazāks tilpums.
Rīsi. 17. Ūdens molekulas normālā temperatūrā
Rīsi. 18. Ūdens molekulas karsējot
Rīsi. 19. Ūdens molekulas dzesēšanas laikā
Šādas īpašības piemīt ne tikai ūdenim, bet arī citiem šķidrumiem (spirtam, dzīvsudrabam, benzīnam, petrolejai).
Zinot šo šķidrumu īpašību, tika izgudrots termometrs (termometrs), kas izmanto spirtu vai dzīvsudrabu.
Kad ūdens sasalst, tas izplešas. To var pierādīt, ja ar ūdeni līdz malām piepildītu trauku brīvi nosedz ar vāku un ievieto saldētavā, pēc kāda laika redzēsim, ka izveidojies ledus pacels vāku, izejot ārpus trauka.
Šī īpašība tiek ņemta vērā, ieguldot ūdensvadus, kas jāizolē, lai, sasalstot, no ūdens veidojas ledus neplīstu caurules.
Dabā sasalstošais ūdens var iznīcināt kalnus: ja rudenī ūdens sakrājas akmeņu plaisās, tas ziemā sasalst, un zem ledus spiediena, kas aizņem lielāku tilpumu nekā ūdens, no kura tas veidojies, ieži plaisā un sabrūk.
Ūdens sasalšana ceļu plaisās noved pie asfalta seguma iznīcināšanas.
Garas grēdas, kas atgādina krokas uz koku stumbriem, ir koksnes plīsumu radītas brūces tajā sasalstošu koku sulu spiediena ietekmē. Tāpēc aukstās ziemās parkā vai mežā var dzirdēt koku sprakšķēšanu.
- Vahruševs A.A., Daņilovs D.D. Pasaule ap mums 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Pasaule mums apkārt 3. M.: Izdevniecība Fedorov.
- Plešakovs A.A. Pasaule mums apkārt 3. M.: Izglītība.
- Pedagoģisko ideju festivāls ().
- Zinātne un izglītība ().
- Publiskā klase ().
- Veiciet īsu testu (4 jautājumi ar trim atbilžu variantiem) par tēmu “Ūdens mums apkārt”.
- Veiciet nelielu eksperimentu: novietojiet glāzi ļoti auksta ūdens uz galda siltā telpā. Aprakstiet, kas notiks, paskaidrojiet, kāpēc.
- *Uzzīmējiet ūdens molekulu kustību sakarsētā, normālā un atdzesētā stāvoklī. Ja nepieciešams, uzrakstiet parakstus uz zīmējuma.
Ūdens sildīšanas sistēmās ūdeni izmanto, lai siltumu no tā ģeneratora nodotu patērētājam.
Svarīgākās ūdens īpašības ir:
siltuma jauda;
tilpuma izmaiņas apkures un dzesēšanas laikā;
viršanas raksturlielumi, mainot ārējo spiedienu;
kavitācija.
Apskatīsim šīs ūdens fizikālās īpašības.
Īpašs karstums
Jebkura dzesēšanas šķidruma svarīga īpašība ir tā siltuma jauda. Ja mēs to izsakām caur dzesēšanas šķidruma masas un temperatūras starpību, mēs iegūstam īpatnējo siltuma jaudu. To apzīmē ar burtu c un tam ir dimensija kJ/(kg K)
Īpašs karstums- tas ir siltuma daudzums, kas jāpārnes uz 1 kg vielas (piemēram, ūdeni), lai to uzsildītu par 1 °C. Un otrādi, viela atdzesējot izdala tādu pašu enerģijas daudzumu. Ūdens vidējā īpatnējā siltumietilpība no 0 °C līdz 100 °C ir:
c = 4,19 kJ/(kg K) vai c = 1,16 Wh/(kg K)
Absorbētā vai izdalītā siltuma daudzums J, izteikts Dž vai kJ, atkarīgs no masas m, izteikts Kilograms, īpatnējā siltuma jauda c un temperatūras starpība, izteikta K.
Skaļuma palielināšana un samazināšana
Visi dabiskie materiāli karsējot izplešas un atdzesējot saraujas. Vienīgais izņēmums no šī noteikuma ir ūdens. Šo unikālo īpašību sauc par ūdens anomāliju. Ūdenim lielākais blīvums ir pie +4 °C, pie kura 1 dm3 = 1 litrs sver 1 kg.
Ja ūdens tiek uzkarsēts vai atdzesēts attiecībā pret šo punktu, tā tilpums palielinās, kas nozīmē, ka tā blīvums samazinās, t.i., ūdens kļūst vieglāks. To var skaidri redzēt tvertnes piemērā ar pārplūdes punktu. Tvertnē ir tieši 1000 cm3 ūdens ar temperatūru +4 °C. Ūdenim uzsilstot, daļa no rezervuāra iztecēs mērtraukā. Ja uzsildīsiet ūdeni līdz 90 °C, mērtraukā ielies tieši 35,95 cm3, kas atbilst 34,7 g.. Ūdens izplešas arī tad, kad tas ir atdzisis zem +4 °C.
Pateicoties šai ūdens anomālijai pie upēm un ezeriem, tieši virsējais slānis ziemā sasalst. Tā paša iemesla dēļ uz virsmas peld ledus, un pavasara saule var to izkausēt. Tas nenotiktu, ja ledus būtu smagāks par ūdeni un nogrimtu dibenā.
Rezervuārs ar pārplūdes punktu
Tomēr šī spēja paplašināties var būt bīstama. Piemēram, automašīnu dzinēji un ūdens sūkņi var pārsprāgt, ja ūdens tajos sasalst. Lai no tā izvairītos, ūdenim pievieno piedevas, lai tas nesasaltu. Glikolus bieži izmanto apkures sistēmās; Skatiet ražotāja specifikācijas par ūdens un glikola attiecību.
Ūdens viršanas īpašības
Ja ūdeni karsē atvērtā traukā, tas vārīsies 100 °C temperatūrā. Ja mērīsit verdoša ūdens temperatūru, tā saglabāsies 100 °C, līdz iztvaiko pēdējais piliens. Tādējādi pastāvīgs siltuma patēriņš tiek izmantots, lai pilnībā iztvaicētu ūdeni, t.i., mainītu tā agregācijas stāvokli.
Šo enerģiju sauc arī par latento (latento) siltumu. Ja siltuma padeve turpinās, iegūtā tvaika temperatūra atkal sāks paaugstināties.
Aprakstītais process ir dots pie gaisa spiediena 101,3 kPa uz ūdens virsmas. Pie jebkura cita gaisa spiediena ūdens viršanas temperatūra mainās no 100 °C.
Ja mēs atkārtotu iepriekš aprakstīto eksperimentu 3000 m augstumā, piemēram, Cugšpicē, Vācijas augstākajā virsotnē, mēs atklātu, ka ūdens tur jau vārās 90 °C. Šīs uzvedības iemesls ir atmosfēras spiediena pazemināšanās līdz ar augstumu.
Jo zemāks spiediens uz ūdens virsmas, jo zemāka būs viršanas temperatūra. Un otrādi, viršanas temperatūra būs augstāka, palielinoties spiedienam uz ūdens virsmas. Šo īpašību izmanto, piemēram, spiediena katlos.
Grafikā parādīta ūdens viršanas temperatūras atkarība no spiediena. Spiediens apkures sistēmās tiek apzināti palielināts. Tas palīdz novērst gāzes burbuļu veidošanos kritiskos darbības apstākļos, kā arī novērš ārējā gaisa iekļūšanu sistēmā.
Ūdens izplešanās sildot un aizsardzība pret pārspiedienu
Ūdens sildīšanas sistēmas darbojas pie ūdens temperatūras līdz 90 °C. Parasti sistēmu piepilda ar ūdeni 15°C temperatūrā, kas pēc tam karsējot izplešas. Šis tilpuma palielinājums nedrīkst izraisīt pārmērīgu spiedienu un šķidruma pārplūdi.
Kad apkure vasarā tiek izslēgta, ūdens daudzums atgriežas sākotnējā vērtībā. Tādējādi, lai nodrošinātu netraucētu ūdens izplešanos, ir nepieciešams uzstādīt pietiekami lielu tvertni.
Vecajās apkures sistēmās bija atvērtas izplešanās tvertnes. Tie vienmēr atradās virs cauruļvada augstākās daļas. Paaugstinoties temperatūrai sistēmā, izraisot ūdens izplešanos, palielinājās arī līmenis tvertnē. Temperatūrai pazeminoties, tā attiecīgi pazeminājās.
Mūsdienu apkures sistēmās tiek izmantotas membrānas izplešanās tvertnes (MEV). Palielinoties spiedienam sistēmā, nedrīkst pieļaut, ka spiediens cauruļvados un citos sistēmas elementos palielinās virs robežvērtības.
Tāpēc katras apkures sistēmas priekšnoteikums ir drošības vārsta klātbūtne.
Kad spiediens paaugstinās virs normas, drošības vārstam ir jāatveras un jāizlaiž liekais ūdens daudzums, ko izplešanās tvertne nevar uzņemt. Tomēr rūpīgi izstrādātā un uzturētā sistēmā šāds kritisks stāvoklis nekad nedrīkst rasties.
Visos šajos apsvērumos nav ņemts vērā fakts, ka cirkulācijas sūknis vēl vairāk palielina spiedienu sistēmā. Saistība starp maksimālo ūdens temperatūru, izvēlēto sūkni, izplešanās tvertnes izmēru un drošības vārsta reakcijas spiedienu ir jānosaka ar vislielāko rūpību. Sistēmas elementu nejauša izvēle - pat pamatojoties uz to izmaksām - šajā gadījumā ir nepieņemama.
Membrānas izplešanās tvertne tiek piegādāta piepildīta ar slāpekli. Sākotnējais spiediens izplešanās diafragmas tvertnē ir jāpielāgo atkarībā no apkures sistēmas. Izplešanās ūdens no apkures sistēmas nonāk tvertnē un caur diafragmu saspiež gāzes kameru. Gāzes var saspiest, bet šķidrumus nevar.
Spiediens
Spiediena noteikšana
Spiediens ir šķidrumu un gāzu statiskais spiediens, ko mēra traukos un cauruļvados attiecībā pret atmosfēras spiedienu (Pa, mbar, bar).
Statiskais spiediens
Statiskais spiediens ir stacionāra šķidruma spiediens.
Statiskais spiediens = līmenis virs atbilstošā mērīšanas punkta + sākotnējais spiediens izplešanās tvertnē.
Dinamiskais spiediens
Dinamiskais spiediens ir kustīgas šķidruma plūsmas spiediens. Sūkņa izplūdes spiediens Tas ir spiediens centrbēdzes sūkņa izejā darbības laikā.
Spiediena kritums
Centrbēdzes sūkņa radītais spiediens, lai pārvarētu sistēmas kopējo pretestību. To mēra starp centrbēdzes sūkņa ieplūdi un izplūdi.
Darba spiediens
Spiediens, kas pieejams sistēmā, kad sūknis darbojas. Pieļaujamais darba spiediens Maksimālā pieļaujamā darba spiediena vērtība sūkņa un sistēmas drošas darbības apstākļos.
Kavitācija
Kavitācija- tā ir gāzes burbuļu veidošanās, kas rodas lokāla spiediena parādīšanās rezultātā, kas ir zemāks par sūknētā šķidruma iztvaikošanas spiedienu lāpstiņriteņa ieejā. Tas noved pie veiktspējas (spiediena) un efektivitātes samazināšanās, kā arī izraisa troksni un sūkņa iekšējo daļu materiāla iznīcināšanu. Sabrūkot gaisa burbuļiem augstāka spiediena zonās (piemēram, lāpstiņriteņa izejā), mikroskopiski sprādzieni izraisa spiediena pārspriegumu, kas var sabojāt vai iznīcināt hidraulisko sistēmu. Pirmā pazīme tam ir troksnis lāpstiņritenī un tā erozija.
Svarīgs centrbēdzes sūkņa parametrs ir NPSH (šķidruma kolonnas augstums virs sūkņa iesūkšanas caurules). Tas nosaka minimālo sūkņa ieplūdes spiedienu, kas nepieciešams noteikta tipa sūknim, lai darbotos bez kavitācijas, t.i., papildu spiedienu, kas nepieciešams, lai novērstu burbuļu veidošanos. NPSH vērtību ietekmē lāpstiņriteņa tips un sūkņa ātrums. Ārējie faktori, kas ietekmē šo parametru, ir šķidruma temperatūra un atmosfēras spiediens.
Kavitācijas novēršana
Lai izvairītos no kavitācijas, šķidrumam jāieplūst centrbēdzes sūkņa ieplūdē noteiktā minimālā sūkšanas augstumā, kas ir atkarīgs no temperatūras un atmosfēras spiediena.
Citi veidi, kā novērst kavitāciju, ir:
Statiskā spiediena palielināšanās
Šķidruma temperatūras samazināšana (iztvaikošanas spiediena samazināšana PD)
Sūkņa izvēle ar zemāku nemainīgu hidrostatisko augstumu (minimālais sūkšanas pacēlums, NPSH)
Agrovodcom speciālisti ar prieku palīdzēs jums izlemt par optimālo sūkņa izvēli. Sazinies ar mums!
|
Aleksandrs
2013-10-22 09:38:26
[Atbilde] [Atbildēt ar citātu][Atcelt atbildi]
|
Mūs ieskauj ūdens, pats par sevi, kā daļa no citām vielām un ķermeņiem. Tas var būt cietā, šķidrā vai gāzveida formā, bet ūdens vienmēr ir mums apkārt. Kāpēc uz ceļiem plaisā asfalts, kāpēc aukstumā pārsprāgst stikla burka, kāpēc aukstajā sezonā aizsvīst logi, kāpēc lidmašīna atstāj baltas pēdas debesīs - uz visiem šiem jautājumiem meklēsim atbildes un citi šīs nodarbības “kāpēc”. Uzzināsim, kā mainās ūdens īpašības, sildot, atdzesējot un sasalstot, kā veidojas pazemes alas un dīvainas figūras tajās, kā darbojas termometrs.
Tēma: Nedzīvā daba
Nodarbība: Šķidra ūdens īpašības
Ūdenim tīrā veidā nav ne garšas, ne smaržas, ne krāsas, taču gandrīz nekad tāds nav, jo tas aktīvi izšķīdina lielāko daļu vielu sevī un savienojas ar to daļiņām. Ūdens var iekļūt arī dažādos ķermeņos (zinātnieki ir atraduši ūdeni pat akmeņos).
Ja piepildīsiet glāzi ar krāna ūdeni, tā izskatīsies tīra. Bet patiesībā tas ir daudzu vielu šķīdums, starp kuriem ir gāzes (skābeklis, argons, slāpeklis, oglekļa dioksīds), dažādi gaisā esošie piemaisījumi, izšķīdušie sāļi no augsnes, dzelzs no ūdensvadiem, sīkas neizšķīdušas putekļu daļiņas utt.
Ja uz tīra stikla ar pipeti uzpilināt krāna ūdens pilienus un ļaujot tam iztvaikot, paliks tikko redzami plankumi.
Upju un strautu un vairuma ezeru ūdens satur dažādus piemaisījumus, piemēram, izšķīdušos sāļus. Bet tādu ir maz, jo šis ūdens ir svaigs.
Ūdens plūst pa zemi un pazemē, piepilda straumes, ezerus, upes, jūras un okeānus, veidojot pazemes pilis.
Caur viegli šķīstošām vielām ūdens iekļūst dziļi pazemē, paņemdams tās sev līdzi, un caur klinšu spraugām un plaisām, veidojot pazemes alas, pilot no to jumtiem, veidojot dīvainas skulptūras. Miljardiem ūdens pilienu iztvaiko simtiem gadu, un ūdenī izšķīdušās vielas (sāļi, kaļķakmeņi) nosēžas uz alu arkām, veidojot akmens lāstekas, ko sauc par stalaktītiem.
Līdzīgus veidojumus alas grīdā sauc par stalagmītiem.
Un, kad stalaktīts un stalagmīts aug kopā, veidojot akmens kolonnu, to sauc par stalagnātu.
Vērojot ledus dreifēšanu uz upes, mēs redzam ūdeni cietā (ledus un sniegs), šķidrā (tek apakšā) un gāzveida stāvoklī (sīkas ūdens daļiņas, kas paceļas gaisā, ko sauc arī par ūdens tvaikiem).
Ūdens var būt visos trīs stāvokļos vienlaikus: gaisā vienmēr ir ūdens tvaiki un mākoņi, kas sastāv no ūdens pilieniem un ledus kristāliem.
Ūdens tvaiki ir neredzami, taču tos var viegli noteikt, ja uz stundu atstājat ledusskapī atdzesētu ūdens glāzi siltā telpā, uz glāzes sieniņām uzreiz parādīsies ūdens pilieni. Saskaroties ar stikla aukstajām sieniņām, gaisā esošie ūdens tvaiki pārvēršas ūdens pilienos un nosēžas uz stikla virsmas.
Rīsi. 11. Kondensāts uz auksta stikla sienām ()
Tā paša iemesla dēļ aukstajā sezonā loga stikla iekšpuse aizsvīst. Auksts gaiss nevar saturēt tik daudz ūdens tvaiku kā siltais gaiss, tāpēc daļa no tā kondensējas – pārvēršas ūdens pilienos.
Baltā pēda aiz debesīs lidojošas lidmašīnas arī ir ūdens kondensācijas rezultāts.
Pienesot pie lūpām spoguli un izelpojot, uz tā virsmas paliks sīkas ūdens lāsītes, tas pierāda, ka elpojot cilvēks kopā ar gaisu ieelpo ūdens tvaikus.
Kad ūdens tiek uzkarsēts, tas "paplašinās". To var pierādīt ar vienkāršu eksperimentu: ūdens kolbā tika nolaista stikla caurule un izmērīts ūdens līmenis tajā; pēc tam kolbu nolaida traukā ar siltu ūdeni un pēc ūdens sildīšanas atkārtoti izmērīja līmeni mēģenē, kas manāmi paaugstinājās, jo sildot ūdenim palielinās tilpums.
Rīsi. 14. Kolba ar caurulīti, skaitlis 1 un līnija norāda sākotnējo ūdens līmeni
Rīsi. 15. Kolba ar caurulīti, cipars 2 un līnija norāda ūdens līmeni sildot
Kad ūdens atdziest, tas “saspiežas”. To var pierādīt ar līdzīgu eksperimentu: šajā gadījumā kolba ar cauruli tika nolaista traukā ar ledu, pēc atdzesēšanas ūdens līmenis caurulē samazinājās attiecībā pret sākotnējo atzīmi, jo ūdens samazinājās tilpumā.
Rīsi. 16. Kolba ar caurulīti, cipars 3 un līnija norāda ūdens līmeni dzesēšanas laikā
Tas notiek tāpēc, ka ūdens daļiņas, molekulas, karsējot kustas ātrāk, saduras viena ar otru, tiek atgrūstas no trauka sieniņām, palielinās attālums starp molekulām un līdz ar to šķidrums aizņem lielāku tilpumu. Kad ūdens atdziest, tā daļiņu kustība palēninās, attālums starp molekulām samazinās, un šķidrumam ir nepieciešams mazāks tilpums.
Rīsi. 17. Ūdens molekulas normālā temperatūrā
Rīsi. 18. Ūdens molekulas karsējot
Rīsi. 19. Ūdens molekulas dzesēšanas laikā
Šādas īpašības piemīt ne tikai ūdenim, bet arī citiem šķidrumiem (spirtam, dzīvsudrabam, benzīnam, petrolejai).
Zinot šo šķidrumu īpašību, tika izgudrots termometrs (termometrs), kas izmanto spirtu vai dzīvsudrabu.
Kad ūdens sasalst, tas izplešas. To var pierādīt, ja ar ūdeni līdz malām piepildītu trauku brīvi nosedz ar vāku un ievieto saldētavā, pēc kāda laika redzēsim, ka izveidojies ledus pacels vāku, izejot ārpus trauka.
Šī īpašība tiek ņemta vērā, ieguldot ūdensvadus, kas jāizolē, lai, sasalstot, no ūdens veidojas ledus neplīstu caurules.
Dabā sasalstošais ūdens var iznīcināt kalnus: ja rudenī ūdens sakrājas akmeņu plaisās, tas ziemā sasalst, un zem ledus spiediena, kas aizņem lielāku tilpumu nekā ūdens, no kura tas veidojies, ieži plaisā un sabrūk.
Ūdens sasalšana ceļu plaisās noved pie asfalta seguma iznīcināšanas.
Garas grēdas, kas atgādina krokas uz koku stumbriem, ir koksnes plīsumu radītas brūces tajā sasalstošu koku sulu spiediena ietekmē. Tāpēc aukstās ziemās parkā vai mežā var dzirdēt koku sprakšķēšanu.
- Vahruševs A.A., Daņilovs D.D. Pasaule ap mums 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Pasaule mums apkārt 3. M.: Izdevniecība Fedorov.
- Plešakovs A.A. Pasaule mums apkārt 3. M.: Izglītība.
- Pedagoģisko ideju festivāls ().
- Zinātne un izglītība ().
- Publiskā klase ().
- Veiciet īsu testu (4 jautājumi ar trim atbilžu variantiem) par tēmu “Ūdens mums apkārt”.
- Veiciet nelielu eksperimentu: novietojiet glāzi ļoti auksta ūdens uz galda siltā telpā. Aprakstiet, kas notiks, paskaidrojiet, kāpēc.
- *Uzzīmējiet ūdens molekulu kustību sakarsētā, normālā un atdzesētā stāvoklī. Ja nepieciešams, uzrakstiet parakstus uz zīmējuma.
