Раздел I.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СКВАЖИН НА ВОДУ
Глава 1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВОДЕ
В составе льда преобладают молекулы тригидроля, в составе водяного пара (при температуре свыше 100°С) - молекулы гидроля, а в капельно-жидкой воде - смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношения между которыми меняются с изменением температуры.
Особенностями структуры воды обусловлены ее следующие аномалии:
1) наибольшую плотность вода имеет при 4 °С, с понижением температуры до 0 °С или с повышением до 100 °С плотность ее уменьшается;
2) объем воды при замерзании увеличивается примерно на 10%, при этом твердая фаза становится легче жидкой;
3) вода обладает высокой удельной теплоемкостью, которая с повышением температуры до 40 °С уменьшается, а затем вновь увеличивается;
4) вода обладает весьма большой удельной внутренней энергией (318,8 Дж/кг);
5) вода замерзает при 0 °С, с увеличением давления температура замерзания понижается и достигает своего минимального значения (-22°С) при давлении 211,5 МПа;
6) вода обладает наибольшим удельным количеством теплоты (2156 Дж/кг) при температуре 100 °С;
7) вода обладает наиболее высокой диэлектрической проницаемостью при 20 °С;
8) вода обладает самым большим поверхностным натяжением по сравнению с другими жидкостями.
При взаимодействии со щелочами вода ведет себя, как кислота, а при взаимодействии с кислотами - как основание. В процессе реакции активных металлов и воды выделяется водород. Вода вызывает процесс обменного разложения (гидролиз), взаимодействуя с некоторыми солями.
Академическая наука до сих пор не смогла дать рациональное объяснение всем аномальным свойствам воды.
Целый ряд свойств воды выпадает из общих закономерностей и правил таких наук как физика и химия. Эти свойства не соответствуют законам «периодической системы», разработанной гениальным ученым-химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым.
Про общие физические и химические свойства воды, мы писали в нашем материале – ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ (читать >>>).
В этом же материале, мы кратко перечислим основные аномальные свойства воды.
Температуры замерзания и кипения воды не соответствуют общим закономерностям и законам химии. Так мы знаем, что вода в реальной жизни замерзает при 0°C, а кипит при 100°C, в то время как в соответствии с общими правилами химии эти процессы должны проходить при -90°C (минус девяносто) и -70°C (минус 70) соответственно.
Вода имеет уникальную по своей величине аномальную теплоемкость равную 4,18 кДж (кг-К). Это означает, что вода медленно охлаждается и медленно нагревается.
Вода является эффективным регулятором температур, она ограничивает резкие перепады температур. Более подробно с этим ее свойством вы можете ознакомиться в нашей статье – .
Наибольшая скорость нагрева и охлаждения воды происходит в так называемой «температурной яме», которая образуется вследствие того, что в районе 37 °C теплоемкость у воды наименьшая.
Как мы видим, температура человеческого тела 36,6 °C близка к этому значению.
Удивительно, но факт – горячая вода замерзает быстрее холодной, что противоречит логике и общему восприятию вещей.
Как мы уже отметили выше, температура + 3,98 °C, является для воды важным значением. При понижении температуры до этого уровня вода ведет себя в соответствии с общими законами и правилами этих наук. При дальнейшем понижении температуры у воды начинают проявляются ее аномальные свойства.
РОЛЬ ВОДЫ В БИОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССАХ
Вода - самое распространенное вещество на Земле, изначально существовавшее на нашей планете.
Молекулы воды, состоящие из двух атомов водорода и одного атома кислорода, образуют исключительно устойчивое химическое соединение, которое может существовать в самых разных условиях - в космосе, на поверхности Земли и в ее мантии. Атомы водорода и кислорода существуют в виде нескольких нуклидов. Стабильных нуклидов водорода два - обычный водород 1 Н, или протий, и тяжелый водород 2 Н, или дейтерий (их соотношение в природе 6700:1). Стабильных нуклидов кислорода три - 1б О, 17 О и 18 О (их соотношение в природе - 99,759 % ; 0,037 % ; 0,204 %). Обычная природная вода, содержащая нуклиды 1 Н и 1б О, составляет 99,73 % гидросферы Земли.
Вода - одна из наиболее важных жизнеобеспечивающих природных сред, образовавшихся в результате эволюции Земли. Она составная часть биосферы, обладает целым рядом аномальных свойств, определяемых структурой ее молекул и влияющих на протекающие в экосистемах физико-химические и биологические процессы.
Аномальные свойства воды
Как известно, свойства простых и сложных веществ находятся в зависимости от их относительной молекулярной массы. С этой точки зрения вода должна быть подобна химическим соединениям водорода с другими элементами VI группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева: серой (H 2 S), селеном (H 2 Se) и теллуром (Н 2 Те), т. е. кипеть при -70 °С и замерзать при -90 °С (пунктир на рисунке).
Если бы вода обладала такими свойствами, то на Земле она могла бы существовать только в виде пара. Однако вода, в отличие от приведенных веществ, имеет очень высокие температуры замерзания (0 °С) и кипения (100 °С). Это позволяет ей существовать на нашей планете во всех агрегатных состояниях (водяной пар атмосферы, Мировой океан, ледники), что имеет большое значение для геологических, климатических и биологических процессов на Земле.
В отличие от большинства веществ, плотность которых с понижением температуры увеличивается, вода имеет наибольшую плотность при 4 °С (р = 1000 кг/м 3), выше и ниже этой температуры она меньше. Плотность воды при 0 °С равна 999,968 кг/м 3 , тогда как плотность льда при этой температуре - 916,8 кг/м 3 . Поэтому при замерзании водоемов лед не опускается на дно, а глубокие водоемы вообще не промерзают до дна, за счет чего в них сохраняется жизнь.
Вода обладает уникальными тепловыми характеристиками во всех ее агрегатных состояниях - очень высокими теплотой плавления льда, теплотой испарения и теплоемкостью. Из всех природных твердых и жидких веществ вода обладает наибольшей теплоемкостью: удельная теплоемкость воды при нормальных условиях составляет 4,19 кДжДкг град). Это делает воду, при том ее количестве, которое имеется на Земле, планетарным аккумулятором тепла, а с учетом круговорота воды, охватывающего все подразделения биосферы, и планетарным переносчиком тепла.
Вода - мощный тепловой стабилизатор, обеспечивающий устойчивый климат на планете в течение тысячелетий. Парниковый эффект, обусловленный присутствием в атмосфере водяного пара и углекислого газа, обеспечивает среднегодовую температуру у поверхности Земли порядка 15 °С, при этом на долю водяного пара приходится 60 % теплового излучения, отражаемого земной поверхностью. Уменьшение содержания водяного пара в атмосфере наполовину вызвало бы понижение температуры у поверхности Земли до катастрофического значения -5 °С. К счастью, в отличие от углекислого газа, содержание которого в атмосфере за счет антропогенных выбросов возрастает (происходит усиление парникового эффекта), содержание водяного пара в атмосфере, обусловленное глобальным геобиохимическим круговоротом воды в биосфере, достаточно стабильно.
Вода - среда жизни
В ходе эволюции вода создала окружающую нас природу, живой мир, да и самого человека: именно водная среда (Мировой океан) могла обеспечить все требования к возникновению и развитию жизни. Она стала тем «питательным бульоном», в котором 3,5 млрд лет назад при специфических внешних условиях зародилась жизнь на Земле.
Вода обеспечивает существование жизни на нашей планете: сложнейшие биохимические реакции в клетках животных и растительных организмов могут протекать только при наличии воды. Все живые существа на Земле содержат воду в большем или меньшем количестве, в среднем около 70-80 %, т. е. на 3/4 состоят из воды. С химической точки зрения живое вещество - это водный раствор, и почти все процессы, обеспечивающие его жизнедеятельность, сводятся к химическим реакциям в водном растворе.
По солевому составу кровь человека и морская вода очень близки. Кровь человека составляет десятую часть от всей жидкости в его теле (в среднем 5 л крови, из них 3,5 л - жидкая составляющая - плазма) и обеспечивает возможность обмена веществ в организме. Одна из ее главных функций, подобно воде в природе, - транспортная (перенос кислорода, питательных веществ, шлаков). Для поддержания жизни человек должен получать около 2,5 л воды в сутки (непосредственно и с пищей). В среднем за всю жизнь человек потребляет и выделяет около 75 т воды, а все человечество - почти четвертую часть годового стока всех рек мира. Без воды человек не проживет и недели, погибнет от жажды. Обезвоживание организма приводит к серьезным нарушениям функционирования различных органов. Человек тяжело переносит потерю 5 % воды, а обезвоживание на 15-25 % приводит к необратимым изменениям в организме и к смерти.
Как известно, кислород атмосферы, играющий исключительно важную роль в функционировании всех аэробных живых организмов, в том числе и человека, - биогенного происхождения. Более 150 млрд. тонн кислорода поставляют ежегодно в атмосферу фитопланктон и наземные растения за счет фотосинтеза - важнейшего биохимического процесса на нашей планете. С помощью масс-спектрометрии и с использованием изотопной разновидности воды Н 2 18 О было доказано, что источником кислорода при фотосинтезе служит вода:
nCO 2 + nH 2 18 O ® n + n 18 O 2
Было также установлено, что более точное итоговое уравнение фотосинтеза имеет вид:
nCO 2 + 2nH 2 18 O ® n + n 18 O 2
откуда следует, что в процессе фотосинтеза вода не только используется, но и образуется.
Одновременно с образованием первичных гидросферы и атмосферы на Земле зародился геологический круговорот воды. Этот планетарный круговорот воды продолжается до сих пор, в нем участвует и живая природа, теперь он имеет геобиохимический характер. «Любое проявление природной воды - глетчерный лед, безмерный океан, почвенный раствор, гейзер, минеральный источник - составляет единое целое, прямо или косвенно, но глубоко связанное между собой», - считал В. И. Вернадский.
Круговорот воды в природе - это непрерывный процесс движения и обмена водой между различными составляющими гидросферы. Примерно за 3000 лет вся современная масса гидросферы испаряется, т. е. интенсивность возобновления воды достаточно велика. Обладая в миллион раз меньшей массой воды, чем масса гидросферы, живые организмы, главным образом растения, пропускают ее через себя (за время порядка 1 млн. лет). Таким образом, природная вода - это тоже продукт жизнедеятельности живых организмов. В круговороте воды на суше доминирующая роль принадлежит растениям, 2/3 осадков образуются за счет транспирации - испарения с поверхности листьев растений. «Вся масса воды, - писал В. И. Вернадский, - и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее... Картина видимой природы определяется водой...»
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ПЛАНЕТЫ
Велика роль воды в истории человеческой цивилизации. Вся практическая (хозяйственная) деятельность человека с самой глу бокой древности связана с использованием воды. Вода - ценнейший природный ресурс, и нет ни одной отрасли хозяйства, где она не использовалась бы.
Вода - один из важнейших техногенных источников получения энергии, прежде всего электрической. В настоящее время пятая часть вырабатываемой в мире электроэнергии приходится на гидроэлектростанции, при этом следует заметить, что и на тепловых электростанциях (в том числе и на АЭС) именно вода, превращенная в пар, вращает турбины и связанные с ними электрогенераторы.
Одно из объяснений аномалии плотности воды заключается в том, что ей приписывается тенденция к ассоциации ее молекул, которые образуют различные группы [ Н2О, (Н2О) 2, (Н2О) 3 ], удельный объем которых
различен при разных температурах различны и концентрации этих групп, следовательно, различен и их общий удельный объем.
Первое из них означает, что аномалии плотности, возникающие благодаря движению, не создают потока теплачерез нижнюю гращу. На верхней границе плотность задается, а на берегу (х 0) нормальная компонента горизонтального потока тепла считается равной нулю. Скорости и и и на берегу должны обращаться в нуль в силу условий непротекания и прилипания. Приближение гидростатики, однако так сильно упрощает динамику, что условие прилипания для и; не может быть выполнено.
Для третичных и вторичных спиртов характерна аномалия плотности паров при высоких температурах (определение по В. Третичные спирты (до Cj2) дают при температуре кипения нафталина (218е) лишь половинное значение молекулярного веса, вследствие их разложения на воду и алкилены; вторичные спирты (до С9) проявляют такую же аномалию, но.
Положительный знак работы приходится относить за счет аномалии плотности воды.
Если, как утверждает Гребе а, работы Сент-Клер Девиля способствовали, с одной стороны, объяснению замеченных аномалий плотностей паров и тем самым, хотя и косвенно, подтверждали теорию Авогадро, то, с другой
стороны, эти работы послужили стимулом для изучения химического сродства, поскольку способствовали выяснению природы определенных реакций.
Для воды уравнение (64) дает правильные результаты до температуры 4, так как она, как известно, имеет аномалию плотности. При 4 плотность воды наибольшая, ниже 4 наблюдается сложное распределение плотности, не учитываемое этим уравнением.
В силу (8.3.56) параметр X является мерой отношения (L / LH) 2 и неравенство (8.3.19 а) означает просто, что аномалии плотности, создаваемые даижением, перемешиваются на масштабе, малом по сравнению с L.
При наличии основной стратификации положительный ротор касательного напряжения ветра и связанное с ним вертикальное движение во внутренней области создают во всей этой области положительную аномалию плотности, к которой добавляется аномалия плотности из-за притока тепла на поверхности.
Если связи внутри полиэдров много сильнее, чем между полиэдрами, то только эти последние будут разупорядочены в расплаве, так что в расплаве будут существовать единицы в виде полиэдров. Некоторые аномалии плотности в жидких сплавах А1 - Fe, видимо, поддерживают эту гипотезу.
Формулировка задачи на устойчивость такого основного состояния будет дана для случая зонального течения в атмосфере. Случай океана может рассматриваться как частный случай задачи для атмосферы во всем, что касается формулировки проблемы и получается простой заменой стандартного профиля плотности ps (z) постоянным значением плотности и заменой аномалии атмосферной потенциальной температуры в аномалией океанской плотности, взятой со знаком минус.
Повышение давления смещает максимальную плотность воды в сторону более низких температур. Так, при 50 атм максимальная плотность наблюдается около О С. Выше 2000 атм аномалия плотности воды исчезает.
Таким образом, в широком интервале температур наиболее энергетически устойчивое соединение водорода и кислорода - вода. Она образует на Земле океаны, моря, льды, пары и туман, в большом количестве содержится в атмосфере, в толщах пород вода представлена капиллярной и кристаллогидратной формами. Такая распространенность и необычность свойств (аномалия плотности воды и льда, полярность молекул, способность к электролитической диссоциации, к образованию гидратов, растворов и др.)
делают воду активным химическим агентом, по отношению к которому обычно рассматривают свойства большого числа других соединений.
Жидкости, как правило, заметно расширяются при нагревании. У некоторых веществ (например, у воды) имеет место характерная аномалия в значениях изобарного коэффициента расширения. При более высоких давлениях максимум плотности (минимум удельного объема) сдвигается в сторону меньших температур, а при давлениях выше 23 МПа аномалия плотности у воды исчезает.
Эта оценка обнадеживает, поскольку величина Ба находится в неплохом соответствии с наблюдаемой глубиной термоклина, которая изменяется от 800 м в средних широтах до 200 м в тропической и полярной зонах. Так как глубина 50 значительно меньше глубины океана, представляется разумным рассматривать термоклин как пограничный слой; в соответствии с этим при постановке граничного условия на нижней границе можно считать, что температура на глубинах, больших БО, асимптотически стремится к некоторому горизонтально однородному распределению. Поскольку масштаб г уже равен D, удобно перенести начало координат на поверхность и измерять г от поверхности океана. Таким образом, при z - - аномалия плотности должна затухать, а идолжна стремиться к неизвестному пока асимптотическому значению, точно так же как вертикальная скорость, создаваемая на нижней границе экмановского слоя, не может быть задана априори.
Постоянные УП должны определяться из условий на граище. В гидростатическом слое вследствие больших градиентов плотности, создаваемых вертикальным движением (Ла S / Е) ус намного превосходит vj по величине. Вместе с тем v должно удовлетворять условию прилипания при f х О. Vn равны нулю и, следовательно, сам. Указанная трудность разрешается, если вспомнить, что во внутренней области вертикальное перемешивание плотности уравновешивает эффект вертикального движения, а в гидростат тическом слое аномалия плотности, создаваемая вертикальным движением, балансируется только эффектом горизонтального перемешивания. Таким образом, должна существовать промежуточная область между внутренней областью и гидростатическим слоем, в которой вертикальная и горизонтальная диффузии одинаково важны. Как показывает (8.3.20), эта область имеет горизонтальный масштаб Lff, так что рассчитанное с этим масштабом А равно единице.
Как известно, вода, при нагревании от нулевой температуры, сжимается, достигая наименьшего объема и, соответственно, наибольшей плотности при температуре 4 С. Исследователи из Техасского университета предложили объяснение, в котором учитывается не только взаимодействие ближайших молекул воды, но и более удаленных. Во всех 10-ти известных формах льда и в воде взаимодействие ближайших молекул происходит одинаковым образом. Иначе обстоит дело со взаимодействием более удаленных молекул. В жидкой фазе, в том интервале температур, где имеется аномалия плотности, более устойчивым является состояние с большей плотностью. Кривая зависимости плотности от температуры, которую ученые рассчитали, похожа на ту, что наблюдается для воды.
Чистая вода прозрачна и бесцветна. Она не имеет ни запаха, ни вкуса. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примесные вещества. Многие физические свойства и характер их изменения у чистой воды аномальны. Это относится к температурам плавления и кипения, энтальпиям и энтропиям этих процессов. Аномален и температурный ход изменения плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Выше и ниже этой температуры плотность воды уменьшается. При отвердевании происходит дальнейшее резкое уменьшение плотности, поэтому объем льда на 10 % больше равного по массе объема воды при той же температуре. Все указанные аномалии объясняются структурными изменениями воды, связанными с возникновением и разрушением межмолекулярных водородных связей при изменении температуры и фазовых переходах. Аномалия плотности воды имеет огромное значение для жизни живых существ, населяющих замерзающие водоемы. Поверхностные слои воды при температуре ниже 4 С не опускаются на дно, поскольку при охлаждении они становятся более легкими. Поэтому верхние слои воды могут затвердевать, в то время как в глубинах водоемов сохраняется температура 4 С. В этих условиях жизнь продолжается.
(характеристика аномально высокой информативности воды)
В периодической системе элементов Д.И. Менделеева кислород образует отдельную подгруппу. Входящие в нее кислород, сера, селен и теллур имеют много общего в физических и химических свойствах. Общность свойств прослеживается, как правило, и для однотипных соединений, образованных членами подгруппы. Однако для воды характерно отклонение от правил.
Из самых легких соединений подгруппы кислорода (а ими являются гидриды) вода – легчайшее. Физические характеристики гидридов, как и других типов химических соединений, определяются положением в таблице элементов соответствующей подгруппы. Так, чем легче элемент подгруппы, тем выше летучесть его гидрида. Поэтому в подгруппе кислорода самой высокой должна быть летучесть воды – гидрида кислорода. Это же свойство очень явственно проявляется и в способности воды «прилипать» ко многим предметам, то есть смачивать их.
При изучении этого явления установили, что все вещества, которые легко смачиваются водой (глина, песок, стекло, бумага и др.), непременно имеют в своем составе атомы кислорода. Для объяснения природы смачивания этот факт оказался ключевым: энергетически неуравновешенные молекулы поверхностного слоя воды получают возможность образовывать дополнительные водородные связи с «посторонними» атомами кислорода. Благодаря поверхностному натяжению и способности к смачиванию, вода может подниматься в узких вертикальных каналах на высоту большую чем та, которая допускается силой тяжести, то есть вода обладает свойством капиллярности.
Капиллярность играет важную роль во многих природных процессах, происходящих на Земле. Благодаря этому вода смачивает толщу почвы, лежащую значительно выше зеркала грунтовых вод и доставляет корням растений растворы питательных веществ. Капиллярностью обусловлено движение крови и тканевых жидкостей в живых организмах.
Но для воды характерны некоторые особенности ее свойств. Например, самыми высокими оказываются у воды как раз те характеристики, которые должны были бы быть самыми низкими: температуры кипения и замерзания, теплоты парообразования и плавления.
Температуры кипения и замерзания
гидридов элементов кислородной подгруппы
графически представлены на рис. 1.7. У
самого тяжелого из гидридов
они отрицательны: выше 0°С это соединение
газообразно. По мере перехода к гидридам
более легким (
,
)
температуры кипения и замерзания все
более снижаются. Сохранись и далее эта
закономерность, можно было бы ожидать,
что вода должна кипеть при -70°С и замерзать
при -90°C. В таком случае в земных условиях
она никогда не могла бы существовать
ни в твердом, ни в жидком состояниях.
Единственно возможным было бы газообразное
(парообразное) состояние. Но на графике
зависимости критических температур
для гидридов в функции их молекулярной
массы существует неожиданно резкий
подъем – температура кипения воды
+100°С, замерзания – 0°C. Это наглядное
преимущество ассоциативности – широкий
температурный интервал существования,
возможность осуществить все фазовые
состояния в условиях нашей планеты.
Ассоциативность воды сказывается и на очень высокой удельной теплоте ее парообразования. Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100°С, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80°С (от 20 до 100°С).
Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.
При плавлении льда немало энергии
уходит на преодоление ассоциативных
связей ледяных кристаллов, хотя и
вшестеро меньше, чем при испарении воды.
Молекулы
фактически остаются в той же среде,
меняется лишь фазовое состояние воды.
Удельная теплота плавления льда более высокая, чем у многих веществ, она эквивалентна расходу количества теплоты при нагреве 1 г воды на 80°С (от 20 до 100°С). При замерзании воды соответствующее количество теплоты поступает в окружающую среду, при таянии льда – поглощается. Поэтому ледяные массы, в отличие от масс парообразной воды, являются своего рода поглотителями тепла в среде с плюсовой температурой.
Аномально высокие значения удельной теплоты парообразования воды и удельной теплоты плавления льда используются человеком в производственной деятельности. Знание природных особенностей этих физических характеристик иногда подсказывает смелые и эффективные технические решения. Так, воду широко применяют в производстве как удобный и доступный охладитель в самых разнообразных технологических процессах. После использования воду можно возвратить в природный водоем и заменить свежей порцией, а можно снова направить на производство, предварительно охладив в специальных устройствах – градирнях. На многих металлургических производствах в качестве охладителя используют не холодную воду, а кипяток. Охлаждение идет за счет использования теплоты парообразования – эффективность процесса повышается в несколько раз, к тому же отпадает надобность в сооружении громоздких градирен. Конечно, кипяток-охладитель используют там, где нужно охладить объекты, нагретые выше 100°C.
Широкое применение воды в качестве охладителя объясняется не только и не столько ее доступностью и дешевизной. Настоящую причину нужно тоже искать в ее физических особенностях. Оказывается, вода обладает еще одной замечательной способностью – высокой теплоемкостью. Поглощая огромное количество теплоты, сама вода существенно не нагревается. Удельная теплоемкость воды в пять раз выше, чем у песка, и почти в десять раз выше, чем у железа. Способность воды накапливать большие запасы тепловой энергии позволяет сглаживать резкие температурные колебания на земной поверхности в различные времена года и в разное время суток. Благодаря этому вода является основным регулятором теплового режима нашей планеты.
Интересно, что теплоемкость воды аномальна не только по своему значению. Удельная теплоемкость разная при различных температурах, причем характер температурного изменения удельной теплоемкости своеобразен: она снижается по мере увеличения температуры в интервале от 0 до 37°С, а при дальнейшем увеличении температуры – возрастает. Минимальное значение удельной теплоемкости воды обнаружено при температуре 36,79°С, что соответствует нормальной температура человеческого тела. Нормальная температура почти всех теплокровных живых организмов также находится вблизи этой точки.
Оказалось, что при этой температуре осуществляются и микрофазовые превращения в системе «жидкость – кристалл», то есть «вода – лед». Установлено, что при изменении температуры от 0 до 100°С вода последовательно проходит пять таких превращений. Назвали их микрофазовыми, так как протяженность кристаллов микроскопична, не более 0,2...0,3 нм. Температурные границы переходов – 0, 15, 30, 45, 60 и 100°С.
Температурная область жизни теплокровных животных находится в границах третьей фазы (30...45°С). Другие виды организмов приспособились к иным температурным интервалам. Например, рыбы, насекомые, почвенные бактерии размножаются при температурах, близких к середине второй фазы (23...25°С), эффективная температура весеннего пробуждения семян приходится на середину первой фазы (5...10°С).
Характерно, что явление прохождения удельной теплоемкости воды через минимум при температурном изменении обладает своеобразной симметрией: при отрицательных температурах также обнаружен минимум этой характеристики. Он приходится на – 20°С.
Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то около -20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые, исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5 микрон.
