Свойства воды не перестают удивлять ученых. Вода - довольно простое вещество с химической точки зрения, однако при этом она обладает рядом необычных свойств, которые не перестают удивлять ученых. Ниже предложены несколько фактов, о которых мало кто знает.

1. Какая вода замерзает быстрее - холодная или горячая?

Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую - холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо. Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним. К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Она способна замерзать мгновенно

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания. Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. 19 состояний воды

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед. Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры? При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

4. Вода удивляет физиков

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O, становится H1.5O!

5. Память воды

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды. Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию. Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды)

вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения

в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Об этих и о многих других неожиданных особенностях воды можно прочитать в статье «Аномальные свойства воды», автором которой является Мартин Чаплин, профессор Лондонского университета.

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 1 и 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 5 Па. 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 3 может 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 2 О)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 2 О 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.

Магнитная вода

Первыми на это необычное явление обратили внимание в 30-годах советские физики: скорость выпадания кристалликов из пересыщенных водных растворов резко возрастала, если сосуд с раствором помещали в магнитное поле. Вслед за этим итальянскому физику Пиккарди удалось продемонстрировать влияние магнитного поля на скорость протекания химических реакций опять-таки в водных растворах.

Вскоре уже ни у кого не оставалось сомнений в том, что вода, подвергнутая воздействию магнитного поля, меняет свои физико-химические свойства. Особенно заметно меняются растворимость солей и скорость химических реакций. Еще нет единого мнения о характере взаимодействия между водой и магнитным полем, а магнитная вода уже нашла широкое применение в народном хозяйстве.

Первыми магнитной водой заинтересовались теплоэнергетики, для которых накипь в котлах и на стенках труб паросиловых установок всегда являлась настоящим бедствием. Сотни километров труб ежегодно выбрасывали не потому, что их съела ржавчина, а потому, что они оказывались намертво забитыми отложениями. Котлы периодически приходилось подвергать трудоемкой очистке, удалению накипи. Правда, существовали антинакипины, но эффект от них получался весьма незначительный. Первые же опыты с магнитной водой дали поразительные результаты. Оказалось, что магнитная вода не только не дает накипи, но и смывает ранее имевшиеся отложения.

В нашей стране работают уже тысячи магнитоводных установок на морских и речных судах. Без них теперь не обходится ни одна ТЭЦ. Исследованиями магнитной воды и возможностью ее более широкого применения заняты десятки специальных учреждений.

Схема устройства для магнитной обработки воды показана на рис. 8.

Рис. 8. Схема магнитной обработки воды. 1 - постоянный магнит; 2 - полюсные наконечники; 3 - сердечник

Круг использования магнитной воды непрерывно расширяется. Выяснилось, что применение магнитной воды повышает прочность бетона, значительно ускоряет его затвердевание. При флотационном обогащении полезных ископаемых магнитная вода весьма заметно повышает процент выхода обогащенной руды.

До сих пор общенародной проблемой остается периодическая замена труб (текущий ремонт!), по которым горячая и холодная вода поступает в наши квартиры. Нужно ли приводить то астрономическое число труб, которые превращаются в труху, - это же тысячи тонн металла! А сколько тысяч организаций занимается этой заменой, сколько людского труда расходуется впустую.

А теперь представьте, что в наши квартиры пришла магнитная вода. И трубы в домах станут вечными. Удивительной белизной засверкают раковины и ванны, ибо вода не только не будет оставлять на них осадков, но и станет смывать всякую попавшую туда грязь. Отпадет необходимость в чистке, в производстве специальных моющих средств.

Поскольку у магнитной воды такая волшебная способность на давать осадков, отчего бы не использовать это обстоятельство в городских очистных сооружениях? Может быть, именно магнитному способу предстоит стать тем принципиально новым средством, которое и решит проблему очистки в будущем.

Наконец, не следует упускать из вида, что растительный и животный мир, наш организм - все это, по сути, водные растворы, которые тоже никак не могут оставаться безучастными к воздействию на них магнитного поля. Но... об этом речь впереди.

Вода в роли молота

В конце прошлого столетия строители московского водопровода столкнулись с загадочным явлением: лопались только что проложенные трубы. Лопались без всяких видимых причин. Их заменяли, но они лопались снова то в одном месте, то в другом. Трубы рвала изнутри таинственная сила, которую, казалось бы, никак не могла создать насосная станция. Стенки труб были рассчитаны по всем правилам, толщина их взята с достаточным запасом прочности. Катастрофические поломки водопровода заставили поколебаться "отцов" города, финансирующих строительство: "Не возвратиться ли к старому, но надежному способу снабжения города водой - развозить ее в бочках на лошадях, как это делалось испокон веков?" Отчаявшись справиться с коварной водой, инженеры-водопроводчики обратились за помощью к известному русскому ученому Н. Е. Жуковскому, и тот довольно быстро нашел ответ.

Причина разрушения труб оказалась на удивление проста: резкое закрытие кранов. В момент внезапной остановки потока воды в трубах возникало явление, которое было названо гидравлическим ударом. Возле крана мгновенно подпрыгивало давление. Оно многократно превышало давление, создаваемое насосами. А затем "на сцену" выступали упругие свойства воды. Скачок давления в виде упругих колебаний, или так называемой ударной волны, со скоростью звука бежал вдоль трубы и, найдя уязвимое место, рвал стенки трубы. Разрушение зачастую происходило вдали от крана, и потому виновник происшествия - удар - оставался незамеченным.

Чем быстрее останавливали поток воды, тем мощнее становился гидравлический удар. Дело в том что на первых водопроводах устанавливали пробковые краны (наподобие самоварных). Короткое движение - и кран закрыт. По совету Н. Е. Жуковского эти краны были заменены вентильными, постепенно закрывающимися (которыми мы пользуемся и поныне), и таинственные разрушения труб прекратились.

Вскоре, однако, гидравлический удар дал знать о себе и в других быстро развивающихся отраслях гидравлической техники. И чем большие скорости движения жидкости использовало человечество, чем сложнее и чувствительнее становилась аппаратура, тем суровее напоминал о себе гидравлический удар.

Ныне он подкарауливает нас в каждом насосе, в каждом клапане, в каждой трубе, т. е. всюду, где возможна резкая остановка движущейся жидкости. Зачастую никакие ухищрения не помогают избавиться от гидравлического удара, и тогда конструкторы вынуждены повышать прочность деталей, делать устройства более тяжелыми и громоздкими. Или остается мириться с тем, что деталь раньше времени выходит из строя - выкрашивается, лопается, деформируется.

Кавитация действует постепенно. Гидравлический удар подобен удару молота или, точнее, тысяче ударов, следующих один за другим. Как и кавитация, он неизбежный и непримиримый враг гидравлической техники.

Вода - штамповщик

Подобно тому как при кавитации разрушительные способности воды могут быть направлены на выполнение полезных операций, так с неменьшей перспективой они могут быть использованы и при гидравлическом ударе.

И вот уже созданы установки, в которых с помощью высоких давлений, возникающих при гидравлическом ударе, штампуются детали, производится прессовка металлокерамических порошков, выполняется холодная сварка путем прижатия друг к другу свариваемых деталей.

До последнего времени гидравлический удар в таких промышленных установках создавался с помощью взрывчатки. В момент взрыва на поверхность воды "выстреливался" поршень, а далее взрывное давление передавалось уже по всей массе жидкости. Давления при этом достигались порядка 7*10 9 Па.

Однако такое давление современную технику уже не удовлетворяет. Да и сама технология получения удара довольно примитивна. Установка при этом получается неуклюжей, громоздкой и небезопасной.

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*10 7 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, 10 5 Па температура, °С

Как видно, при давлениях свыше 6380*10 5 Па мы имеем "горячий лед". Плотность его при давлении 2200*10 5 Па становится равной 1,2 г/см 3 и продолжает расти, достигая при давлении 20670*10 5 Па 2 г/см 3 . 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*10 5 Па. Не здесь ли давления начинают "ткать" полимерные нити из Н 2 О?

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

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.

Что такое плазма – непривычный газ

С детства мы знаем несколько агрегатных состояний веществ. Возьмем к примеру воду. Ее обычное состояние известно всем – жидкость, она распространена повсеместно: реки, озера, моря, океаны. Второе агрегатное состояние – газ. Его мы видим не часто. Самый легкий способ достичь газообразного состояния у воды – вскипятить ее. Пар – есть ничто иное, как газообразное состояние воды. Третье агрегатное состояние – твердое тело. Подобный случай мы можем наблюдать, например в зимние месяцы. Лед – замершая вода, и есть третье агрегатное состояние.
Данный пример наглядно показывает что практически любое вещество имеет три агрегатных состояния. У одних его достичь легко, у других сложнее (требуются особые условия).

Но современная физика выделяет еще одно, независимое состояние вещества – плазма.

Плазма – это ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных так и отрицательных зарядов. Как известно, при сильном нагревании любое вещество переходит в третье агрегатное состояние – газ. Если продолжать разогревать полученное газообразное вещество, то на выходе получим вещество с резко увеличенным процессом термической ионизации, составляющие газ атомы распадаются образуя ионы. Данное состояние можно наблюдать невооруженным глазом. Наше Солнце – звезда, как и миллионы остальных звезд и галактик во вселенной есть ничто иное как высокотемпературная плазма. К сожалению на Земле, в естественных условиях плазма не существует. Но наблюдать мы ее все же можем, например вспышку молнии. В лабораторных условиях плазму впервые удалось получить в результате пропускания через газ высокого напряжения. Сегодня многие из нас пользуются плазмой в быту – это обычные газоразрядные лампы дневного света. На улицах сплошь и рядом наблюдается неоновая реклама, которая есть ничто иное как низкотемпературная плазма в стеклянных трубках.

Для того, что бы из газообразного состояния перейти к плазме, газ необходимо ионизировать. От числа атомов зависит напрямую и степень ионизации. Еще одним условием является температура.

До 1879 года физика описывала и руководствовалась всего тремя агрегатными состояниями веществ. Пока английский ученый, химик и физик, – Уильям Крукс не начал проводить опыты по исследованию проводимости электричества в газах. К его открытиям причисляют открытие элемента Талия, получение Гелия в лабораторных условиях и, конечно, первые опыты с получением холодной плазмы в газоразрядных трубках. Привычный нам термин “плазма” был применен впервые в 1923 году американским ученым Ленгмюром, а позднее и Тонксоном. До этого времени “плазмой” обозначали лишь бесцветную составляющую крови или молока.

Сегодняшние исследования показывают, вопреки распространенному мнению, в состоянии плазмы находится порядка 99% всего вещества во вселенной. Все звезды, все межзвездное пространство, галактики, туманности, солнечный веер – типичные представители плазмы.
На земле мы можем наблюдать такие природные явления как молния, северное сияние, “огни святого Эльма”, ионосфера Земли и, конечно, огонь.
Человек так же научился применять плазму себе во благо. Благодаря четвертому агрегатному состоянию вещества мы можем пользоваться газоразрядными лампами, плазменными телевизорами, дуговой электросваркой, лазерами. Так же, явления плазмы мы можем наблюдать при ядерном взрыве или запуске космических ракет.

Одним из приоритетных исследований в направлении плазмы можно считать реакцию термоядерного синтеза, который должен стать безопасной заменой атомной энергетике.

По классификации плазму делят на низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, идеальную и неидеальную.
Низкотемпературная плазма характеризуется малой степенью ионизации (порядка 1%) и температурой до 100 тысяч градусов. Именно по этому плазму такого рода часто используют в различных технологических процессах (нанесение алмазной пленки на поверхность, изменение смачиваемости вещества, озонирование воды и т.д.).

Высокотемпературная или “горячая” плазма обладает практически 100% ионизацией (именно такое состояние и подразумевают под четвертым агрегатным состоянием) и температурой до 100 миллионов градусов. В природе – это звезды. В земных условиях именно высокотемпературная плазма используется для опытов термоядерного синтеза. Контролируемая реакция достаточно сложна и энергозатратна, а вот неконтролируемая достаточно зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности – термоядерная бомба, испытанная СССР 12 августа 1953 года.
Но это крайности. Холодная плазма достаточно прочно заняла свое место в быт человека, о полезном контролируемом термоядерном синтезе остается пока мечтать, оружие на самом деле не применимо.

Но в быту плазма не всегда одинаково полезна. Иногда существуют ситуации при которых следует избегать разрядов плазмы. Например при любых коммутационных процессах мы наблюдаем плазменную дугу между контактами, которую срочно необходимо гасить.

У каждого вещества, которое существует в природе, имеется . Разогретое до невероятных температур вещество любого вида может перейти в плазму, но не . Пожалуй, это одно из тех веществ, которые отличаются по своей природе. Что же можно сделать с жидкостью, чтобы получить таинственное четвертое состояние, которое отличается от плазмы?

В поисках неизведанного

Так называемое таинственное состояние воды – это открытая много лет назад Дерягиным уникальная жидкость, которая по своим физическим свойствам похожа на любые другие вещества. То есть, когда температура опускается до 0 градусов и ниже, ее плотность падает. По сути, ее можно было бы назвать молекулярной водой, но это слишком серьезное упрощение, которое на самом деле не дает точного ответа на вопрос о том, почему происходит такое явление.

Как же образуется ? Необычные природные явления натолкнули ученых на мысль о том, что существуют особые условия, при которых жидкость остается жидкостью даже при минусовой температуре. Что же для этого нужно было сделать в естественных условиях? Где-то в пределах Полярного круга (и даже чуть севернее) существует явление облачности на большой высоте. Если на средних широтах и южнее облака не поднимаются выше 10 километров, тогда как на севере серебристые облака находятся выше 80 километров. Это очень высоко, но ведь тогда получается, что вода может существовать и при отрицательных температурах.

Удивительная несостыковка

Откуда появился этот теоретический парадокс? Агрегатное состояние меняется при достижении водой температуры в 0 градусов. А облака, которые плавают на высоте 10 километров, все еще находятся в зоне положительной температуры. На высоте, где были обнаружены легкие серебристые облака, не существует даже зон с положительной температурой. Близость космического пространства и отдаленность от поверхности Земли, которая отражает тепло, усиливает отрицательные температуры. Причем облака – это не кристаллы льда, а капли воды, но настолько маленькие, что трудно сразу же сказать, в каком виде они находятся. И в итоге получается, что агрегатное состояние не меняется при низких температурах в верхних слоях атмосферы.

Необычное явление изучал Дерягин. Он проводил опыты в искусственно созданных условиях, поскольку в то время, когда он начал изучение, долететь до 80-километровой высоты было слишком накладно для изучения жидкости. Поэтому была использована камера Дюара. В ней располагался термометр, капилляр (очень тонкая трубка из стекла), а также большая основная камера. Это устройство работало следующим образом: при откачке воздуха температура падала, образовывался конденсат, а та его часть, которая оседала в капилляре, представляла собой воду второго типа, дерягинскую воду. То есть, то самое четвертое состояние.

Изменение плотности

В итоге получилось, что состояние новой воды, полученной в лаборатории, отличается по своим физическим параметрам от обычной жидкости. И график, показывающий изменение плотности в зависимости от температуры, больше не выглядел, как гипербола. Это была классическая прямая линия, которая пересекала график строго в точке (0; 0). Таким образом, новая вода могла существовать при минусовой температуре, не переходя в лед. Но можно ли получить не только капли, но и полноценную жидкость?

Что мы знаем о воде? То, что она при определенных температурах может переходить из одного состояния в другое, причем эти жидкое состояние – промежуточное. И его жидкость может спокойно миновать, переходя из состояния льда в состояние пара. – удивительная жидкость. Ведь есть еще очень много разнообразных моментов, которые до сих пор не были изучены. Впрочем, поговорить о том, что такое вода, стоит более подробно даже в том случае, если вы полностью уверены в своих знаниях.

Экспериментальная вода

Неужели вы никогда не слышали о ней? Вероятно, еще придется услышать, потому что в настоящий момент проводится еще один этап испытаний и экспериментов, связанных с данной водой. Ответ на то, какие агрегатные состояния воды еще существуют в природе, давать пока что рано. Ведь не так давно думали, что их всего три, а оказалось, что больше. Все же, исследования проводились не зря.

Да и вообще, можно гордиться тем, что начаты они были в России. К сожалению, в определенный момент их свернули и ответ не был найден. Но зато тот факт, что теперь известно уже не три, а четыре состояния воды, показывает, что мир не исследован до конца. Кстати для тех, кто полагал, что состоянием будет плазма, скажем, что из воды плазму сделать практически невозможно. Но все же, кто знает, когда наука вновь повернется в другую сторону и невозможное опять будет реальным.

Что будет дальше?

Ответ мы узнаем только когда открытие будет сделано. А пока что даже подвергается серьезным исследованиям. Ведь он рассеивает свет необычным способом, иначе как обычный человек мог бы объяснить тот факт, что противотуманные фары существуют параллельно с обычными? Более того, сама вода оригинальна. Подумать только, что ее физические свойства отличаются от свойств обычных жидкостей. И это притом, что вода существует как на Земле, так и в космосе, правда, в молекулярном состоянии, отчасти похожем на газообразное.

Какое место было точкой рождения воды? И все ли три состояния появились одновременно или вода тоже эволюционировала? Ответ пока не дан, узнать обо все этом вряд ли удастся скоро, но зато ученые выяснили, что вода на самом деле существует как в космосе, так и на других планетах. Поэтому, если взяться как следует за изучение воды, наверняка можно будет узнать очень много интересного и нового. Но этот ответ пока что лишь тайна.