Niezwykłe właściwości zwykłej wody
Woda jest najbardziej rozpowszechnionym, najbardziej znanym i jednocześnie najbardziej zagadkowym płynem na Ziemi i prawdopodobnienie tylko na naszej planecie. Wodę pijemy, myjemy się nią, pływamy po niej, podlewamy nią pola, gasimy pożary, wykorzystujemypraktycznie w każdej dziedzinie gospodarki i techniki. Czego tylko z nią nie robimy. Nie ma co ukrywać, nawet rozpędzamy nią manifestantów i, co dotyczy niektórych wariatów, skaczemy do wody z mostu, żegnając się z życiem. Woda może być bardzo groźna dla ludzi, coudowodniło niedawne tsunami w Oceanie Indyjskim. Woda jest niezbędnym warunkiem istnienia ludzkości. Jest jednocześnie świadkiemi aktywnym uczestnikiem wszystkich naszych osiągnięć i niepowodzeń.Jako nośnik lub akumulator ciepła, „zimna” woda znajduje szerokie zastosowanie w technice chłodniczej i klimatyzacyjnej. W tymcharakterze ma ona bezpośredni związek z profilem naszego czasopisma. Jednak jak głęboko sięga nasza wiedza o tym płynie, opróczskąpych wiadomości zaczerpniętych ze szkolnych i uczelnianych programów? Czy wszystkie jej niezwykłe właściwości jesteśmy w stanieobjaśnić i wykorzystać dla swojej korzyści?W ciągu ostatnich dziesięcioleci naukowcydowiedzieli się na temat wodyo wiele więcej, niż w całej dotychczasowejhistorii ludzkości. Każdego rokurozwój techniczno-informacyjny naszejcywilizacji coraz wyraźniej przybieracharakter funkcji wykładniczej:obecnie suma wiedzy ludzkości podwajasię co 5-6 lat [26]. Dotyczy torównież naszej wiedzy o wodzie.W ramach tego artykułu rozpatrzymytylko niektóre z niezwykłych właściwości wody, związane w większymlub mniejszym stopniu z jej wykorzystaniemw technice chłodniczej. Wybór przedstawionego niżej zestawuwłaściwości został uwarunkowanytym, że nie da się rozdzielić szeregupokrewnych właściwości, które są ściśle ze sobą powiązane i są skutkiemspecyficznej struktury molekularnejwody. Zatem po kolei...WODA . ZASKAKUJĄCA CIECZNajbardziej zaskakującą i korzystną dlanatury cechą wody jest jej zdolność byciacieczą. Cząsteczki analogów wodyz okresowego układu pierwiastkówMendelejewa, czyli wodorków (H2S,Í2Se, H2Te) są istotnie cięższe, natomiastw tych samych warunkach znajdują się w stanie gazowym. Z prawidłowości, pokazanej na rys.1, wynika, że„prawidłowa” woda musiałaby miećtemperaturę zamarzania około -90oC,a wrzeć w temperaturze -70oC. Wątpliwymjest, aby takie warunki sprzyjały rozwojowi życia na Ziemi.
Właściwa pojemność cieplna wodywynosi c = 4,18 kJ/kgK. Jest to wartość najwyższa spośród wszystkichinnych substancji. Plasujący się na drugiejpozycji alkohol etylowy ma tylko2,84 kJ/kgK. Lód i para wodna mająwartość c dwa razy mniejszą od wody,mimo że dla wszystkich innych substancjitopnienie prawie nie zmieniawartości pojemności cieplnej. Wyjątkowowysoka pojemność cieplna wodyprzekształca morza i oceany w gigantycznezasobniki ciepła, które łagodządobowe wahania temperatury powietrza.Właściwa pojemność cieplna każdej substancji rośnie wraz ze wzrostemtemperatury. Woda i tutaj jest wyjątkiem.Wykres zależności właściwejpojemności cieplnej wody od temperaturyposiada minimum przy temperaturzeokoło 37oC, tzn. odpowiadanormalnej temperaturze ciała człowieka(rys. 2). Właśnie w tej temperaturzezłożone reakcje biochemiczneprzebiegają z największą intensywnością. Oznacza to, że organizm ludzkiw tej temperaturze posiada najdogodniejszystan energetyczny.
Następną, nie mniej ważną dla biosferyanomalią wody jest jej zdolnośćdo zwiększania swojej objętości przyzamarzaniu, co różni ją od innych substancji.Wszystkie ciała po przejściuw stan stały stają się bardziej gęste,tylko nie woda. Lód jako lżejszy odwody pływa na jej powierzchni, cochroni akweny Ziemi przed wymrożeniemw srogie zimy. Konkretnie, wodaosiąga maksymalną gęstość przy temperaturze4oC.Lepkość wody, to jeszcze jedna jejoryginalna cecha. Zwykle ze wzrostemciśnienia lepkość dowolnej substancjirośnie, a ze wzrostem temperatury .maleje. Lepkość wody zachowuje sięinaczej: znacznie zmniejsza się przyobniżaniu ciśnienia w zakresie temperaturponiżej 30oC, lecz w miarę podnoszeniaciśnienia zależność przechodziprzez minimum i rozpoczyna sięjej trend wzrostowy.W tab. 1 zestawiono podstawowewłaściwości wody w porównaniu z parametramilodu w tej samej temperaturze.Korzystając z tych danych należy jednak pamiętać, że wszystkie parametry(poza rzadkimi wyjątkami)zależą od temperatury i czasem od ciśnienia. Szczególnie dotyczy to wody.Zależności właściwości wody od temperaturyszczegółowo opracowano wmonografii A.I. Pechowicza [3].Tab. 1. Wybrane właściwości fizyczne wody i lodu w temperaturze 0oC [3-7][url=http://www.wentylacja.com.pl/javascript:;]
Nie tylko właściwości cieplnewody są niezwykłe. Mechaniczne ielektryczne jej cechy również nadająwodzie opinię najbardziej niezwykłejsubstancji Wszechświata. Chodzi tu owyjątkowo wysokie wartości sił napięcia powierzchniowego, stałej dielektryczneji innych wielkości.Całokształt wymienionych właściwości czyni wodę nie tylko jedynymsprzyjającym środowiskiem do zamieszkiwaniaw niej różnych form życia,ale i decyduje o jej szerokim zastosowaniuw technice. Co jest przyczyną niezwykłych właściwości wody?STRUKTURA MOLEKULARNA WODYPodstawową przyczyną wszystkichwyróżniających się właściwości wodyjest obecność wiązań (mostków) wodorowychpomiędzy cząsteczkamiwody. Dzięki tym wiązaniom pojedynczecząsteczki łączą się w asocjaty, tez kolei tworzą jeszcze bardziej złożonestruktury (klatraty), które stawiająopór jakimkolwiek zewnętrznym oddziaływaniom: cieplnym, mechanicznymi elektrycznym. Obecność tychwiązań jest niezbędnym, aczkolwieknie wystarczającym warunkiem niezwykłych właściwości wody. Mostkiwodorowe mogą również tworzyć cząsteczki innych związków wodoru:amoniaku (NH3) lub kwasu fluorowodorowego(HF). Jednak one nie wykazują takich anormalnych właściwościjak woda.
Druga tajemnica wody tkwi wkształcie jej cząsteczki. Umowniemożna ją przedstawić w postaci czworościanu foremnego, w środku któregoznajduje się atom tlenu, w dwóchwierzchołkach - atomy wodoru, a dodwóch innych wierzchołków sięgająorbity elektronów atomu tlenu. Mimoprawidłowości kształtu domniemanegoprzez nas czworościanu (rys. 3),cząsteczka wody jest pod każdymwzględem niesymetryczna. Atomywodoru tworzą na jednym z jej końców ładunek dodatni, natomiast elektronyatomu tlenu na innym końcu - ładunek ujemny. Dzięki temu cząsteczka wody jest dipolem elektrycznym,posiadającym istotny momentdipolowy o wartości 1,87 D (1 Debajrówna się 8 x 10-30 Kulon na metr).Dwie cząsteczki wody mogą połączyćsię w tzw. dimer (rys. 3b), któregomoment dipolowy w określonych warunkachmoże wzrosnąć do 10 D.Wspomniane warunki powstają w pobliżu granicy podziału faz ciecz- ciałostałe (czyli woda-lód) i w błonach komórkowych istot żywych. Z tego wynika,że woda związana, tzn. woda zawartawewnątrz tkanek, jest już zupełnie inną wodą w porównaniu z tą, która znajduje się przed nami w szklance.Przy zamarzaniu trójścienne ostrosłupycząsteczek wody łączą się w swoistą przestrzenną superstrukturę, która obejmuje całą objętość. Tworzą sięwielokąty z liczbą ścian zawsze równąsześciu. Strukturę lodu nazywa się również heksagonalną, dlatego prawidłowonarysowany płatek śniegu zawszemusi być sześciokątny!Pozwolimy sobie pominąć w tymartykule dość skomplikowaną analizęgęstości upakowania kryształu lodu iobliczenia ilości możliwych najbliższych sąsiadów każdej cząsteczki. Teinformacje zamieszczone są w literaturzespecjalistycznej [5,6,12]. Zaczerpniemystamtąd najważniejsze: lódnie jest ściśle upakowanym kryształem; jego struktura jest bardzo pulchna,niespójna, występuje w niej sporopustych miejsc, częściowo wypełnionychcząsteczkami wody. Dlatego lódjest lżejszy od wody. Co więcej, wspomnianecząsteczki wody wędrują posieci krystalicznej. W tym przypadkuspecjaliści mówią, że w stałej fazie jestobecna faza ciekła, podobnie jak wstopniałej wodzie częściowo zachowują się resztki struktury krystalicznejlodu i dzięki temu woda „pamięta”swoje pochodzenie.Współczesne spektroskopowemetody badań, np. rezonans jądrowy,magnetyczny, rentgenowski i inne, pozwoliły naukowcom ustalić, że woda - podobnie jak lód - jest substancjąstrukturalną, przy czym istnieje niejedna, lecz kilka struktur wody i kilkamechanizmów sieciowania.Pojęcie „struktura cieczy” brzmiobco. Obecnie nauce znanych jest 11strukturalnych odmian lodu, różniących się typem sieci krystalicznej iodpowiednio właściwościami fizykochemicznymi.Większość z nich istniejeprzy wysokich ciśnieniach i niskichtemperaturach. Woda w temperaturowymzakresie swego istnienia wfazie ciekłej doznaje jeszcze większejilości przemian mikrofazowych. Więcile jest typów wody? Ścisłej odpowiedzina to pytanie jak na razie nie ma.Dużo. Badania w tym kierunku trwają,każdy dzień dostarcza nam nowych niespodzianek.PRZECHŁODZENIE WODYCzy woda może istnieć w stanie ciekłym, osiągając jednocześnie temperaturę poniżej 0oC? Tak, może. Jest tostan przechłodzenia. Ulega on zakłóceniu przy pojawieniu się w wodzie zarodkalodu o objętości rzędu 10-6 m³.W charakterze zarodka może wystąpićcząsteczka kurzu, domieszka mechaniczna,obecność w wodzie fazy stałejlub najdrobniejszych pęcherzykówpowietrza. Zakłócenie niestabilnegostanu przechłodzenia wody obserwujesię również przy jej wstrząsaniu mechanicznym,aczkolwiek mechanizmtego procesu do końca nie jest zbadanyi w różny sposób jest traktowanyprzez różnych autorów.W technice chłodniczej ze zjawiskiem przechłodzenia wody spotykamysię przy jej zamrażaniu, np. w wytwornicachlodu. W.A. Bobkow [4]wykrył krótkotrwałe przechłodzenie o1,0.1,5oC w strumieniu wolnej wodyw natryskowej wytwornicy lodu. Tenfakt świadczy o tym, że przechłodzenienie jest fenomenem właściwymtylko dla nieruchomej objętości wody.Wielu autorów podkreśla zależnośćpomiędzy liniową prędkością krystalizacjii wielkością przechłodzenia. Wtej kwestii należy wyraźnie rozróżnićdwa procesy: przechłodzenie przygranicznei objętościowe. W pierwszymprzypadku proces krystalizacji powierzchniowegolodu jest zlokalizowanyw cienkiej granicznej warstwieprzechłodzonej wody. Wielkość przechłodzenia Tp.w. jest funkcją prędkości liniowej V przesuwania się granicyrozdziału faz i waha się według danychCosta od 0,02 do 0,1oC przyprędkościach od 2 do 30 mm/min. Przytym temperatura nawilżonej powierzchnilodu nie powinna być niż-sza od 0oC. W drugim przypadku odwrotnie- liniowa prędkość krystalizacjiprzechłodzonej wody zależy odwielkości przechłodzenia. Badaniaprzeprowadzone przez różnych autorów w rurkach cylindrycznych pozwoliły opisać tą relację następującymwzorem:V = k Tp.w.ngdzie:V - prędkość w cm/s, n - wykładnik potęgi, k - współczynnik.Wszystkie znane zależności empirycznemieszczą się w granicach zmianyczłonów tego równania: 0,8oC. Na wartość współczynnikóww największym stopniu wpływa obecność efektów kapilarnych, objawiających się w cienkich rurach o średnicyponiżej 2-3 mm.Z punktu widzenia dostępności obserwacjiwizualnej, jak i wpływu na parametrytechniczne urządzeń zamrażalniczychi procesów technologicznych,większe zainteresowanie wzbudza objętościowe przechłodzenie wody. Autorskiebadania tego procesu przeprowadzonoz wykorzystaniem form wytwornicylodu LNT-0,15 [25]. W procesiepowstawania lodu w formachkomórkowych występują oba rodzajeprzechłodzenia wody: powierzchniowei objętościowe. Natomiast zauważalny w jakimś stopniu wpływ na dynamikę procesu produkcji lodu wywieratylko przechłodzenie objętościowe.Faza przechłodzenia wody w komórcemetalowej posiada swoją specyfikę,objawiającą się w zjawisku spontanicznejkrystalizacji objętościowej.W formach komórkowych zwykłąwodę z sieci wodociągowej bez wstępnejfiltracji daje się przechłodzić dookoło -2,5…-3,0oC, natomiast po filtracjido -5…-8oC. Drgania formy,pochodzące na przykład od pracującejobok sprężarki, zmniejszają głębokośćprzechłodzenia o 0,5…1,0oC. Nierównomierność rozkładu temperaturywody wzdłuż wysokości komórki nieprzekracza 3oC, tzn. jest ona mniejszaod wartości przechłodzenia. Oznaczato, że w momencie rozpoczęcia spontanicznejkrystalizacji objętościowejcała objętość wody znajduje się w stanieprzechłodzonym, zatem krystalizacjapowinna objąć cały obszar wodyw komórce. Właśnie taki obraz można zaobserwować w trakcie eksperymentu.W ciągu jednej sekundy w wodziezachodzi spontaniczny rozgałęziony rozrost kryształów lodu, w całejobjętości komórki powstają chaotycznieukierunkowane ścianki (przegródki)o grubości 0,05 mm. Należy przyznać, widowisko jest dość efektowne.Zmierzone wartości szybkości wzrostukryształów wyniosły 1.3 cm/s.Przestrzenna orientacja i średnia odległość między przegródkami nie sązależne od kształtu komórki. Nie zauważono różnicy w przebiegu tegoprocesu w małych komórkach o wymiarach20x20x15 mm i w wannie92x92x15 mm. Efektem spontanicznejkrystalizacji jest wzrost średniejobjętościowej temperatury wody do0oC oraz krótkotrwałe podwyższenietemperatury formy zwykle o 3.5oC.Przebieg zmian temperatury wody wpunkcie oddalonym od ścianki formyo 1 mm w procesie z przechłodzeniemi bez niego pokazano na rys. 4.
Jednak zjawisko spontanicznej krystalizacjiobjętościowej nie jest niezbędnym atrybutem zamrażania lodu wkomórkach. I tak, w trakcie badań przebieguzamrażania w tej samej wytwornicylodu przy temperaturze zalewanejdo wanny wody 12oC, faza przechłodzenia nie występowała aż do podniesieniawspomnianej temperatury do15oC. Można było zauważyć jedyniepowierzchniowe przechłodzenie iwzrost kryształów dendrytowych wcienkiej warstwie wody przy ściankachformy, grubość której wynosiła 1-2mm. Nie wywierało to zauważalnegowpływu na dynamikę notowanych temperatur.Przy Tw= 15oC i wyżej, coodpowiada w eksperymencie prędkości schładzania wody poniżej 3oC/min,proces przebiega z przechłodzeniem.Przy wtórnych, bardziej dokładnychpomiarach w pobliżu krytycznej temperaturywody Tw= 15oC, nie udało sięjednak odnotować jakichkolwiekprzejściowych stanów systemu dwufazowegowoda-lód, kiedy spontanicznakrystalizacja ogarnęłaby tylko częśćobjętości wody. Zatem zjawisko towystępowało w całej objętości lub wogóle nie zachodziło.Z rozwiązania równania bilansucieplnego dla krystalizacji objętościowejwynika, że w tym krótkim odcinkuczasu krystalizuje się do około 5%objętości wody.Po spontanicznej krystalizacjitemperatura ścianek chociaż rośnie, tojednak pozostaje ujemną. Dalej proceskrystalizacji przebiega zgodnie zeznanymi zasadami: na ściankach zaczynapojawiać się warstwa lodu. Lodoweprzegródki w objętości wodystopniowo znikają, czyli topią się wwodzie o zerowej temperaturze. Poupływie kilku minut po skutkach spontanicznejkrystalizacji nie ma nawetśladu. Nie jest to jednak do końcaprawdą. Większość badaczy zgodnietwierdzi, że przechłodzenie wodyzwiększa ogólny czas produkcji lodu,przy czym wpływ przechłodzenia zaznaczasię w trakcie całej fazy krystalizacji.Ilościowe oceny wydłużeniawspomnianego czasu istotnie się różnią: od 2-3 do 25%.Przy spełnieniu określonych wymagań, przechłodzenie wody możnaobserwować również w lodowej formiechłodziarki domowej. Wymaganiate są następujące:• stosunkowo niewielka masa wody(do 30-50 g),• niskie tempo chłodzenia (do 1-1,5 oC/min),• brak domieszek i pęcherzyków powietrza,• zupełny bezruch, w tym brak wibracji,• idealnie gładka powierzchnia formy,• brak oddziaływań zewnętrznych, wtym strumieni promieniowania mogących wywołać konwekcję w objętości wody,• pożądana jest wstępna obróbka magnetycznawody.W im większym stopniu spełnionebędą wymienione wymagania, tymgłębsze przechłodzenie można osiągnąć. Według danych z pracy [3]zwykłą wodę z kranu w objętości około litra można przechłodzić do -5oC,natomiast przy zmniejszeniu objętości i po oczyszczeniu z domieszek -aż do -40oC.ZESZKLENIE WODYZeszklenie - jest to proces w pewnymsensie przeciwny do przechłodzenia.Chcąc objaśnić go prostymi słowami,można powiedzieć, że obserwuje sięgo, kiedy prędkość chłodzenia przewyższa prędkość wzrostu kryształulodu. Woda nie nadąża zmieniać swojejstruktury w heksagonalną lub inną krystaliczną strukturę lodu i pozostaje bezpostaciowaw stanie zamrożonym [2].Oczywiście, wytrzymałościowe i innewłasności zeszklonej wody wyraźnieróżnią się od własności lodu. Taką wodęmożna uzyskać wpuszczając kroplęwody do naczynia z ciekłym azotem.WODA Z TOPNIEJĄCEGO LODUPo stopieniu woda posiada bardziejuporządkowaną strukturę, zawiera zarodkiklatratów lodu, co pozwala jejna aktywniejsze oddziaływanie zeskładnikami biologicznymi i rozpuszczonymisubstancjami. Po spożyciutakiej wody, do organizmu dostają siędrobne ośrodki struktury lodopodobnej,które następnie mogą się rozrosnąć i sprowadzić wodę do stanu lodopodobnegoi tym samym wywołaćdziałanie uzdrawiające. Oprócz tego,znacznie większa jest aktywność fizyko-chemiczna i biologiczna stopniałej wody w porównaniu z wodą zwykłą,co wiąże się z tym, że jest ona informacyjnieczystą substancją, o czymszczegółowo będzie mowa niżej. Takiewłasności woda pochodząca z topniejącego lodu może zachować przezkilka godzin. Sadownicy i ogrodnicywiedzą dobrze, że w celu przyspieszeniawzrostu roślin zaleca się ich podlewanietaką wodą.Pozytywny wpływ spożywaniastopniałej wody na organizm człowiekaopisują różni autorzy ...
SaZbyszek