Муратов Марат Мусагитович. О равномерном замерзании воды

Образование льда тяжелых изотопных видов воды при охлаждении

природной воды в установках разделения легкой и тяжелой воды.

Чистая природная вода представляет собой бесцветную прозрачную жидкость. Помимо молекул "легкой" (протиевой) воды - ¹Н₂¹⁶О, состоящих из двух атомов легкого изотопа водорода ¹H (протия) и одного атома легкого изотопа кислорода ¹⁶О, в природной воде присутствуют еще 8 видов молекул воды, ¹H ₂¹⁷O, ¹H₂¹⁸O, ¹H²H ¹⁶O, H²H¹⁷O, ¹H²H ¹⁸O, ²H₂¹⁶O, ²H₂ ¹⁷O, ²H₂¹⁸O, называемые "тяжелыми", образованных стабильными тяжелыми изотопами водорода и кислорода. "Легкая" вода ¹Н₂¹⁶О, составляет около 99,727 % объема всей воды на Земле, тяжелокислородная вода ¹H₂ ¹⁸O - 0,2 % объема, а ¹H₂ ¹⁷O - 0,04 % объема. Тяжеловодородная вода ²H₂О составляет 0,033 % объема, причем распределяется в соотношении ²H₂¹⁶O -73,5%, ²H₂¹⁷O -14,7% и ²H₂¹⁸O -11,5%. В среднем вода пресноводных источников содержит около 330 мг/л тяжеловодородной ²H₂O, и тяжелокислородной H₂¹⁸O около 2 г/л. В силу того, что основной объем природной воды составляет легкая, то и свойства природной воды определяются преимущественно свойствами легкой воды.

Плотность всех изотопных видов воды при переходе их из кристаллического состояния в жидкое возрастает, а не уменьшается, как у большинства других веществ. Благодаря этому свойству воды, реки и озёра, зимой, под защитой льда, не промерзают до дна. При внимательном изучении и наблюдении за свойствами природной воды, можно увидеть проявления "тяжелой" воды, к примеру, донный лед на реках, скопления которого можно увидеть зимой. При нагревании воды от 0 до 4.0 С⁰ плотность ее увеличивается. Это явление связано с таянием 8 видов льда изотопных видов воды в диапазоне до 3.8С⁰. Природная вода при 4.0С⁰ имеет максимальную плотность, и при дальнейшем нагревании ее плотность уменьшается. На нижеприведенном Рис.1 - показаны графики зависимости плотности от температуры двух видов вод, ¹Н₂¹⁶О и ²H₂¹⁸O. Ясно, что 7 графиков, соответствующие остальным видам вод, располагаются между этими кривыми (1). График плотности природной воды находится выше графика ¹Н₂¹⁶О и образуется с учетом соотношения объемов и плотности видов вод.

Можно сказать, что природная вода это смесь молекул ¹H ₂¹⁶O, ¹H ₂¹⁷O, ¹H₂¹⁸O, ¹H²H ¹⁶O, ¹H²H¹⁷O, ¹H²H¹⁸O, ²H₂¹⁶O, ²H₂ ¹⁷O, ²H₂¹⁸O, растворенных в этой смеси химических веществ и взвеси образованной биологическими объектами, их остатками и неорганическими частицами.

Природная питьевая вода это смесь молекул ¹H ₂¹⁶O, ¹H ₂¹⁷O, ¹H₂¹⁸O, ¹H²H ¹⁶O, ¹H²H¹⁷O, ¹H²H ¹⁸O, ²H₂¹⁶O, ²H₂ ¹⁷O, ²H₂¹⁸O и растворенных в этой смеси природных солей и взвеси образованной неорганическими частицами. Искусственные химические вещества и взвеси образованные биологическими объектами и их остатками в природной питьевой воде обычно нежелательны. В большинстве случаев, для растворенных веществ и взвесей известны и приняты нормы на допустимые и предельные концентрации их содержания в природной воде, определенные научными исследованиями. Известно воздействие тяжелых видов воды на живые организмы, однако нормы на их содержание в питьевой воде автору пока не известны.

Замерзание природной воды зависит от температуры, давления, минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава воды. К примеру, раствор поваренной соли NaC1при концентрации 5 г/л замерзнет при - 0,38С⁰; 50 г/л, уже при -- 3,78 С, а 100 г/л - при минус 7,44 С⁰.

При охлаждении природной воды возможны два варианта образования льда: первый, когда вода охлаждается неравномерно по объему. В природе и в большинстве технических процессов так и происходит. Второй вариант, когда вода по всему объему охлаждается равномерно, что достигается искусственно, перемешиванием и медленным охлаждением воды. Четкого понятия равномерности охлаждения воды или неравномерности нет, осмелюсь предложить такое понятие на основе изотопных свойств двух видов воды, ¹H ₂¹⁶O и ¹H ₂¹⁷O. Разница температур их замерзания составляет 0.28 С⁰. (2) Можно принять, что если при охлаждении воды разница локальных температур по объему воды находится в пределах и не превышает 0.28 RС, то охлаждение воды равномерно. По мнению автора статьи графики приведенные на Рис 1.относятся к первому варианту охлаждения вод. Очевидно, что при неравномерном охлаждении, у стенок емкости и на поверхности воды температура ниже чем в её центре, поэтому в холодных участках, с температурой кристаллизации, молекулы вод образуют квазикристаллы и кристаллы и образуют лед, что приводит к снижению плотности участков воды и её объема в целом. При повышении равномерности охлаждения воды максимумы графиков будут смещаться в сторону точки кристаллизации вида воды. При равномерном охлаждении воды графики плотности изотопных видов вод приобретут такой вид как на Рис.2.

При идеально равномерном охлаждении воды максимумы на графиках плотности изотопных видов вод стремятся заострится. Imho, при этом максимумы плотности вод должны стать выше относительно значений указанных на графике, но проверить это предположение, автор пока не имеет возможности. В связи стем, что энергия кристаллизации молекул не может мгновенно выделится из центра воды в окружающую среду, резкого превращении воды в лёд не происходит.

График зависимости плотности от температуры природной воды, в диапазоне 0С⁰-4С⁰, как сумма графиков плотности изотопных видов вод будет не гладким, а "ступенчатым".

В первом варианте, при неравномерном охлаждении воды, возможны два случая образования льда: первый, когда в природной воде отсутствует взвесь какого либо вещества или материала, второй -- когда в охлаждаемой воде она присутствует. Каждый из них имеет свои особенности образования льда. В первом случае процесс образования льда характеризуется большой сложностью и случайностью. Во втором случае процесс образования льда более простой, что позволяет определить количественные зависимости толщины и скорости намораживания льда от интенсивности охлаждения воды и установить, таким образом, степень влияния отдельных факторов на процесс образования кристаллов льда или его массива. В первом варианте, в обоих случаях, изотопный состав природной воды не оказывает существенного влияния на процесс образования льда из-за преобладания ¹H ₂¹⁶O.

В природе и холодильной технике образование льда в большинстве случаев происходит в условиях неравномерного охлаждения воды, когда имеются необходимые предпосылки для возникновения кристаллов льда. У охлаждаемой стенки первые кристаллы выделяются в виде тонкого слоя льда, так как у стенки находится наиболее переохлажденная пленка жидкости, обладающая свойствами молекулярной организации, необходимыми для образования устойчивых группировок. Переохлаждением жидкости называют разность температур между температурой плавления твердой фазы и температурой, при которой образуются кристаллы. После появления кристаллов температура жидкости возле кристаллов возрастает до температуры плавления за счёт выделения энергии кристаллизации в воду вокруг кристаллов. Наиболее благоприятными условия будут тогда, когда теплопередающая стенка по структуре своей поверхности приближается к структуре кристаллов льда и когда теплопередача через стенку проходит интенсивно. Поэтому шероховатые металлические стенки создают более благоприятные условия для образования первых кристаллов льда, чем гладкие и полированные, особенно при интенсивном охлаждении воды. К примеру, на медных стенках сосуда лед намерзает легко, а в стеклянных емкостях легко создать условия для перекристаллизации воды. Образование твердой фазы из жидкой всегда начинается на поверхности или непосредственно возле стенок в отдельных точках -- центрах кристаллизации. Ими могут стать частички взвеси, пузырьки воздуха, шероховатости стенок емкости и участки переохлаждения жидкости.

При интенсивном охлаждении воды с температурой выше О С⁰ у металлической стенки образуется тонкий сплошной слой льда и начинают проявляться его теплопроводные свойства. Переохлаждение воды исчезает, а температура поверхности льда на границе с водой остается постоянной, равной О С⁰ в течение всего дальнейшего процесса охлаждения и замерзания воды. Практически температура льда на границе воды может быть принята равной О С. Эта важная особенность процесса намораживания льда у охлаждаемой стенки, омываемой водой, позволяет получить сравнительно простые расчетные зависимости, выражающие динамику намораживания льда на стенку из воды плюсовой температуры. Переменной величиной в таком процессе является толщина льда.

Особенностью переохлаждения воды является, что возникающие группировки, диспергированные кристаллы, с упорядоченным размещением молекул, близким к структуре кристаллов твердой фазы, неустойчивы. Эти группировки в соответствии с квазикристаллическим строением воды непрерывно разрушаются под воздействием теплового движения молекул воды. Когда температура воды становится ниже точки плавления, воздействие теплового движения молекул уменьшается. Однако группировки, представляющие собой только несколько молекул с правильной кристаллической ориентировкой, остаются неустойчивыми и в условиях переохлаждения воды. Стабильность этих групп может возникнуть на поверхности раздела жидкости и твердых частиц или воздуха, так как здесь имеется пленка жидкости, обладающая особыми свойствами молекулярной ориентации, отличающая ее от остальной массы воды. Кристаллическая группировка становится устойчивой когда в ней содержится несколько сот молекул. Образование большой группировки не может происходить самопроизвольно: оно требует содержания в жидкости твердых частиц. Такими частицами могут стать и кристаллы льда тяжелых изотопных видов воды, которые случайно оказались и образовались возле стенки емкости или на её стенке, в воде с температурой около О С⁰.

Рассматриваемые установки разделения легкой и тяжелой воды относятся к холодильной технике, работающие с обеспечением равномерного охлаждения воды. Это одно из необходимых условий работы установок разделения легкой и тяжелой воды, способом кристаллизации тяжелых изотопных видов воды и их механической фильтрации. Из условия равномерности охлаждения следует, что при высокой интенсивности охлаждения, большой скорости отдачи тепла водой в окружающую среду, требуется интенсивное перемешивание объема воды. Соответственно, если холодонатекание не интенсивное, то перемешивание воды и выравнивание температуры производится периодически.

Перемешивание воды начинается после выявления разности температуры величиной около 0.3 С⁰ между центром объема воды и её краем, и заканчивается при уменьшении этой разности до 0.1 С⁰. Перемешивание обрабатываемой воды производится её аэрацией воздухом, или озоно-воздушной смесью. Аэрация проводится в объеме воды около 55%, что позволяет создать циркулирующий поток воды в емкости, с низкой скоростью перемещения потоков воды, задаваемой скоростью всплытия пузырьков. При снижении температуры воды до 0 С⁰, скорость всплытия пузырьков воздуха и скорость потока воды снижается, так как происходит повышение вязкости воды. Пузырьки воздуха создают место концентрации напряжений и способствуют образованию кристаллов льда, т. к. в пузырьках образуются многочисленные границы воздух -- вода. Дополнительно, холодные пузырьки воздуха ускоряют охлаждение воды.

При охлаждении природной воды первой кристаллизуется ²H₂¹⁸O, при 3.81С⁰, и поэтому природная вода имеет максимальную плотность при 3.8С⁰. Это свидетельствует о том, что при охлаждении воды ниже 3.8С⁰образуются кристаллы ²H₂¹⁸O, которые снижают плотность воды. При дальнейшем снижении температуры воды до 0С⁰происходит поочередное снижение плотности тяжелых изотопных видов воды из-за кристаллизации. ¹H₂¹⁷O кристаллизуется последней, при температуре 0,28 С⁰. Из графика видно, что самая тяжелая вода ²H₂¹⁸O, при образовании монолитного льда, тонет в природной воде. На северных реках наблюдается явление, называемое "донный лед", которое происходит при установлении и стабилизации температуры воды чуть ниже 3.8С⁰ На дне рек образуется тяжелый лёд, который имеет отрицательную плавучесть. При дальнейшем снижении температуры воды, на него нарастают полутяжелые виды изотопных вод, масса льда приобретает положительную плавучесть, и затем всплывает к поверхности воды. Этот факт говорит о том, что при медленном и длительном установлении температуры воды ниже 3.8С⁰и постоянном поступлении новых молекул ²H₂¹⁸O возможна кристаллизация ²H₂¹⁸O в монолит. В замкнутых объемах природной воды, при не очень длительном перемешивании при постоянной температуре 3.8С⁰,вероятность встречи молекул только ²H₂¹⁸O и образование крупных "чистых" кристаллов льда чрезвычайно мала. С большой долей вероятности можно утверждать, что после выделения энергии кристаллизации ²H₂¹⁸O в воду, они остаются в ней в виде квазикристаллов. При дальнейшем снижении температуры, по очереди, способность к кристаллизации приобретают молекулы ²H₂ ¹⁷O. Если они встречаются с ²H₂¹⁸O, то образуются устойчивые кристаллы льда этих видов воды, образуя центры кристаллизации льда. Если контакта не происходит, то и они остаются в виде квазикристаллов. При дальнейшем медленном снижении температуры в диапазоне +3.8С⁰ и 0,28С⁰ в процесс поочередно включаются ²H₂¹⁶O,¹H²H ¹⁸O, ¹H²H¹⁷O, ¹H²H ¹⁶O, ¹H₂¹⁸O,¹H ₂¹⁷O. Число молекул, которые выделили энергию кристаллизации в воду постоянно растет и объединяясь, они образуют взвесь кристаллов льда во всём объеме воды. В начале равномерного процесса охлаждения воды, кристаллы льда тяжелой воды имеют небольшую отрицательную плавучесть, но легко увлекаются потоком воды, и поэтому находятся в ней во взвешенном состоянии. При росте, взвешенные кристаллы льда всплывают к поверхности охлаждаемой воды, т.к. они приобретают положительную плавучесть, за счет более легких изотопных видов воды. Игольчатая, многогранная форма кристаллов льда не способствует плотной упаковке и соединению кристаллов льда в монолит, а подъемная сила действующая на кристаллы недостаточна для "поломки" кристаллов льда и их плотной упаковки. В результате, при медленном, равномерном охлаждении воды до 0С⁰, с перемешиванием аэрацией, не допускающего образования монолитного льда,и не допущении при 0С⁰, выделения энергии кристаллизации легкой воды ¹H₂ ¹⁶O в окружающую среду, в объеме не замерзшей легкой воды ¹H₂ ¹⁶O, образуется рыхлая масса кристаллов льда тяжелых изотопных видов воды. Произведенная в этот момент времени фильтрация позволяет отделить жидкую ¹H₂ ¹⁶O от рыхлой массы льда ¹H ₂¹⁷O, ¹H₂¹⁸O, ¹H²H ¹⁶O, ¹H²H¹⁷O, ¹H²H¹⁸O, ²H₂¹⁶O, ²H₂ ¹⁷O, ²H₂¹⁸O.

Муратов М.М. No

Источники информации:

-- О.В.Мосин "Всё о дейтерии и тяжелой воде".

-- "Изотопика воды" Материалы сайта Википедия.

Оставить комментарий © Copyright Муратов Марат Мусагитович (m3m3m55@mail.ru) Размещен: 16/11/2010, изменен: 20/07/2011. 18k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 2 шт.		Оценка: *8.003** Ваша оценка:
Аннотация: О равномерном охлаждении и разделении изотопных видов воды

Муратов Марат Мусагитович : другие произведения.

О равномерном замерзании воды