Белые пятна безбрежного океана - Фрадкин Борис Захарович. Страница 14

Новые горизонты в области использования гидравлического удара открывает лазерная техника. Луч лазера, пронизывая массу воды, вызывает в ней поистине фантастические давления - в миллионы атмосфер. Таким "сверхпрессом" в принципе можно штамповать детали из любых ныне непрессуемых сверхтвердых металлических и неметаллических материалов.

Световой взрыв в воде, с невероятной силой прижимающий друг к другу детали, неограниченно расширит возможности контактной сварки, полностью сведя на нет существующие в настоящее время "несвариваемые сочетания".

Вода в роли наковальни

А что же вода? Остается ли она все той же водой при создании в ней давления в сотни тысяч и миллионы атмосфер?

Опыты показали, что вода, подвергнутая даже сравнительно невысокому давлению в 3*10⁷ Па, а затем освобожденная от него, уже "не та" - на некоторое время она резко меняет свои физические свойства: кипит не при +100°С, а при +200°С, не дает возникнуть кавитации там, где прежде она возникала. Такую воду можно слегка растягивать, создавая в ней отрицательные напряжения до величины в 100 кПа. Похоже, что подвергнутая предварительной "ковке" давлением вода становится прочнее.

Довольно интересно меняются и другие физические свойства воды, например температура замерзания (плавления), при повышении давления:

давление, 10⁵ Па температура, °С

1 0

130 -1

500 -4

2200 -22

3530 -17

6380 0

16500 +60

20670 +76

Как видно, при давлениях свыше 6380*10⁵ Па мы имеем "горячий лед". Плотность его при давлении 2200*10⁵Па становится равной 1,2 г/см³ и продолжает расти, достигая при давлении 20670*10⁵Па 2 г/см³. Такой лед, разумеется, будет тонуть в воде. Точнее было бы сказать, что это уже не лед, а твердая вода - вода в новом качественном состоянии.

Отчетливо видно, что качественное превращение начинается в области давления 6000*10⁵ Па. Не здесь ли давления начинают "ткать" полимерные нити из Н₂О?

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления и аномалии не проявляет.

Вода - источник энергии

Мы уже говорили, что, проследив за взаимоотношением человека и воды, можно было бы написать своеобразную историю возникновения древних цивилизаций. Вода сыграла важную (если не решающую) роль в современном техническом прогрессе. Есть ли надобность повторять слова К. Маркса о "революционере-паре"?

В своем безостановочном движении в будущее, создавая все более современные средства производства, человек так или иначе опирается на использование воды.

Наш век называют веком электричества. Но ведь турбины тепловых, гидравлических и атомных станций приводятся в движение все тем же "революционером-паром". Откажитесь от использования воды - и вы оставите мир без электричества. Это ли не будет мировая катастрофа?

Правда, появляются новые источники электроэнергии, например плазменные (МГД-генераторы). Придет время, и человечество безусловно откажется от использования громоздких турбин, приводимых в движение паром или водой. Электроэнергия будет добываться непосредственным преобразованием тепла в электричество (с помощью полупроводниковых или других устройств). Но сырьем для плазмы, для термоядерного синтеза останется все та же вода. Откуда же еще добывать дейтерий или тритий, как не из вод океана?

Самое известное и непознанное свойство воды

Перспективы грядущего использования воды все требовательнее ставят вопрос о точном познании ее внутренней структуры. И науке поневоле все снова и снова приходится возвращаться к старой, как мир, проблеме, которая волновала умы еще средневековых флорентийских академиков: почему течет вода?

Казалось бы, нелепо спрашивать такое. Вода течет потому, что она жидкая. Но тогда возникает новый вопрос: а, собственно, что такое жидкость? Твердое или газообразное состояние вещества мы представить себе более или менее ясно можем. В нашем воображении возникают картины пространственного расположения атомов в кристаллах металлического сплава. Мы "видим" хаотическое движение молекул в газовых смесях. Но как выглядят частицы воды, каково их взаимное расположение? Конечно, существуют гипотезы (и мы их еще приведем), но они расплывчаты и экспериментально не подтверждены. Вопрос "почему течет вода?" остается пока трудным для науки.

Многие теоретики предпочитают проводить аналогию между жидкостью и твердым телом (например, плохая сжимаемость)" А при гидродинамических расчетах проектировщики и ученые-экспериментаторы применяют к жидкостям (в том числе и к воде) те же математические зависимости, что и к газам. Весьма нелогично.

Необходимость решения этого вопроса становится все более острой. Ибо, раскрыв структурное строение воды, мы вместо сомнительных, весьма приближенных и не всегда применимых аналогий, вместо грубых и неточных эмпирических зависимостей получим истинную картину происходящего. Появится возможность раскрыть закономерности, присущие только воде. Физики чисто аналитически, без всяких приближений получат точные математические зависимости. И лишь тогда откроется путь к созданию сверхпрочной воды как машиностроительного материала, путь к полимеризации воды - основы будущего текстильного производства.

Рис. 9. Агрегатные состояния вещества

И очень хотелось бы, чтобы, наконец, был создан такой протонный или иной микроскоп, с помощью которого удалось заглянуть в воду, увидеть ее молекулы, их движение, возникновение и распад. Наблюдают же физики-атомщики поведение единичных элементарных частиц - протонов, нейтронов, мезонов, позитронов, размеры которых в сравнении с молекулой воды, как байдарка в сравнении с океанским лайнером, Да, очень важно визуально исследовать молекулы воды.

А пока... для воды мы довольствуемся тем положением, которое изображено на рис. 9. Твердое тело (например, лед) имеет кристаллическое строение. В глазах частицы находятся в состоянии хаотического движения. Агрегатное состояние жидкости - пока загадка.

Секреты аномальных свойств воды

"Кирпичики" воды

Секрет воды, конечно же, следует искать в специфическом строении ее молекулы и в особенностях тех "кирпичиков", из которых складывается эта молекула.

Действительно, оба элемента - водород и кислород - заметно выделяются из многочисленной семьи химических элементов, представленной в периодической системе Менделеева.

Водород как "горючий воздух" был известен еще в XVI в. немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу. Но подлинная природа этого газа была установлена лишь в 1783 г. Антуаном Лавуазье. За способность, сгорая, производить воду, "горючий воздух" впоследствии переименовали в "гидрогениум", т. е. рождающий воду.

Водород - единственный элемент, не имеющий даже одной полностью заполненной электронной оболочки. Из-за исключительной простоты его строения - один протон (ядро) и один электрон - ему присущи совершенно особые свойства. Между молекулами, образованными водородом с другими элементами, возникают единственные в своем роде водородные связи, сила взаимного притяжения которых по величине совершенно несравнима с взаимодействием всех прочих, неводородных молекул.

Забегая вперед, скажем, что именно наличие водородных связей не только определяет аномальные свойства воды, но и играет решающую роль в образовании живой материи - нуклеиновых кислот, молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), белковых молекул.