Скорость звука и структурные единицы воды

Н. П. Саргаева, А. Н. Барышев, Л. В. Пучков,

П. М. Саргаев

СКОРОСТЬ ЗВУКА И СТРУКТУРНЫЕ ЕДИНИЦЫ ВОДЫ

Ключевые слова: структурные единицы, синергетика, скорость звука, коэффициенты Ми, критические температуры, D2O, H2O. structural units, synergy, the speed of sound, Mie coefficients, critical temperatures, D2O, H2O.

Синергетика структурных единиц жидкости сопровождается сжимающим давлением и повышением концентрации (n) частиц жидкости. Без учета равновесия молекул двух типов по месту расположения функция K(T) = 1/Л1п(п) воды имеет максимум при 300 K и линейные участки при других температурах. При 270 - 370 K найденная по K(T) сумма (m+n) параметров уравнения Ми совпадает с известным значением (15.8 +/- 2.9). Правое крыло K(T) экстраполируется к значению О при критической температуре. Подобная экстраполяция левого крыла K(T) дает 204-208 K для D2O и 198-201 K для H2O.

The synergy of liquid structural units is accompanied by the condensing-compressing pressure and by the increased concentration (n) of liquid particles.

When the equilibrium of molecules of two location types is not taken into account, the water function of K(T)=1/Лln(n) has maximum at 300 K and linear regions at other temperatures. According K(T), at 270-370 K, the (m + n) sum of Mie equation indexes coincides with the known value of (15.8 +/- 2.9). The right "wing" of K(T) is extrapolated to value of 0 at the critical temperature. Extrapolation of the left wing of this function gives values 204-208 K in case of D2O and 198-201 K for H2O.

На основании экспериментальных данных [l-4] в рамках модели структурных единиц жидкости [5-7] и теории перколяции [В] получены формулы и рассчитаны составляющие изохорной и конфигурационной теплоемкости [б, 7, 9 - ll], обнаружена изотопная инвариантность структуры воды [7, 9]. При дальнейшем моделировании в конфигурационной теплоемкости D2O и H2O обнаружены бозонные пики [l2-l3], применена теория квантового газа по Эйнштейну [l4]. В методах [l2-l3] используется скорость звука (Cs). Зависимость последней от сжимаемости открывает пути моделирования межмолекулярных взаимодействий в процессах контракции жидкости.

Целью данной работы является моделирование особенностей контракции воды в процессе синергетики структурных единиц жидкости.

Синергетика структурных единиц жидкости сопровождается давлением (Pg), избы-

1/3

точным относительно равновесного (Ps) давления: Pg = a/(r-g ), где а - поверхностное натяжение; r - эффективный радиус молекул; g - число молекул в структурной единице [57]. Величина K = 1/Л1п(п) [l5] может характеризовать увеличение концентрации частиц (n), соответствующее контракции жидкости.

В случае линейной зависимости обратной величины изотермической сжимаемости (Pi) от давления и (І/Pi) = 0 для несжатого состояния жидкости формулы для оценки величины K при давлении (Pc) имеют вид

Ki = kp • Kf •

23В

К2 = кр • Кг •

где к/.р., К - коэффициенты; С^ Ср, р - изохорная и изобарная теплоемкости и плотность жидкости; Рс = Рд • ехр(-Р3 / Рд) - сжимающее давление.

Когда б(1/рт)/бР = С, где С - постоянная, может быть определена сумма показателей (т+п) уравнения по Ми [16]

т+п = 3 •

где Е = Д а'п - Б а'т; т, п, А, В - постоянные; Е - энергия взаимодействия пары молекул на расстоянии а.

В данной работе параметр С находили дифференцированием (1/Рт) по давлению, сумму (т+п) - по (3). Значения К| и К2 , найденные по (1) и (2), сравниваются со значениями (т+п). Необходимые для расчетов данные взяты из работ [1-4, 6-7,9, 11-12]. Результаты расчетов представлены на рис.1. и рис. 2.

Рис. 1 - Значения давления

Рис. 2 - Значения K1, K2 и (m+n) (Y) по формулам (1-3) для D2O (kd, d1, d) и H2O (kh) на линии насыщения жидкости в зависимости от температуры (T, K): d1 - при ki.p. = 1; kd , kh - при klp. =1 и Kf =1; d - расчет по (3), объем - [1]

Из анализа рис. 1 следует, что сжимающее давление Pc, возникающее в результате синергетики структурных единиц жидкости, в случае D2O и H2O имеет близкие значения. Давление Pc изменяется с ростом температуры; в области 400 K проходит через максимум, в котором значение Pc не превышает 150 MPa.

Если ki .p. и Kf в формулах (1) и (2) принять равными 1, то значения Ki и K2 при температурах 273 - 358 K попадают [15] в диапазон значений (m+n) для H2O (15.8 ± 2.9 [16]), а в широком интервале температур образуют максимум в зависимости от температуры. Найденные по такой методике значения параметра K представлены на рис. 2 кривыми kd для D2O и kh для H2O. Максимум K(T) соответствует области участия катионов D и протонных пар в обратимых переходах «квантовый газ - квантовый конденсат» [12] по Эйнштейну [14]. Линейный характер участков «крыльев» K(T) может быть связан с изменением содержания бозонов, участвующих в обратимых переходах [12-13]. Отрезок прямой линии K(T), соответствующий температурам выше 310 K, экстраполируется на значение 32 при 0 K и значение 0 при критической температуре как в случае D2O, так и H2O. Экстраполяция линейных участков левого крыла K(T) в область низких температур дает значение 204-208 K для D2O и 198-201 K - для Н2О.

Значения коэффициентов ki.p., Kf можно уточнить, путем сравнения результатов расчетов по формулам (1) - (2) с таковыми, полученными по (3). Для этого значения параметра C, используемые в формуле (3), должны соответствовать линии насыщения жидкости. Значения (m+n) для D2O, соответствующие ортобарным условиям, представлены точками d на рис. 2. Эти (m+n) значения зависят от температуры, что отличает их от интервала значений (15.8 ± 2.9 [16]). Отличаются они и от значений kd и kh. Последнее различие связано с дифференциацией свойств частиц воды в процессе синергетики структурных единиц жидкости. Частицы (молекулы) среды, например, расположенные на поверхностях близлежащих структурных единиц, проникают в междоузлия соседних. Это приводит к установлению равновесия молекул двух типов [2-4] в первой координационной сфере молекул воды. Константа равновесия Kf = f2 / f1 содержит фракции (доли) молекул (fi - для типа 1 (в решетке) и f2 - для типа 2 (вне решетки)). Значения Ki и K2, представленные на рис.2 кривыми di для D2O, учитывают отличие константы равновесия Kf от 1 (при ki.p. = 1). Значения di и d совпадают в широком интервале температур. Различие имеется в области температур, прилегающих к температуре тройной точки D2O, что свидетельствует об отличии коэффициента kip. от 1 в этой области температур.

Значения константы равновесия Kf в области температур тройной точки воды меньше 1, при температурах 320-330 K соответствуют значению 1, а при 610-620 K проходят через максимум (3.2).

Литература

1. NIST Standard Reference Database Number 69, June 2005 Release.

2. Narten, A.H. X-Ray Diffraction Study of Liquid Water in the Temperature Range 4-200 oC/ A.H. Narten, M.D. Danford, H.A. Levy // Disc. Farad. Soc. - 1967. -№. 43. - P. 97-107.

3. Горбатый, Ю.Е. Рентгенодифракционные исследования жидкой и надкритической воды при высоких температурах и давлениях. III. Строение первой координационной сферы / Ю.Е. Горбатый, Ю. Н. Демьянец // Журн. Структур. Хим. - 1983. - Т. 24. - № 5. - С. 74-80.

4. Горбатый, Ю.Е. Сверхкритическое состояние воды / Ю.Е. Горбатый, Г.В. Бондаренко // Сверх-критические флюиды. Теория и практика. - 2007. - Т. 2. - №. 2. - С. 5-19.

5. Саргаев, П.М. Проявление структуры воды в электрофизических свойствах биосистем и методы мониторинга: Автореф. дис. ... д-ра хим. наук / П. M. Саргаев. - СПб., 1999. - 39 с.

6. Саргаева, Н.П. Кластеры - суть структуры жидкого состояния воды / Н.П. Саргаева, П.М. Саргаев // Известия РГПУ им. А.И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки. - 2007. - Т. 7(26). - С. 112-126.

7. Саргаева, Н.П. Синергетика структурных единиц и термодинамические свойства D2O жидкости / Н.П. Саргаева, А.Б. Наймушин, П.М. Саргаев // Известия РГПУ им. А.И. Герцена: Научный журнал: Естественные и точные науки. - 2008. - Т. 9(48). - C. 44-60.

8. Broadbent, S.B. Percolation processes. I. Crystals and mazes / S.B. Broadbent, J.M. Hammersley // Pros. Cambridge Phil. Soc. - 1957. - Vol. 53. - Part 3. - P.629-641.

9. Sargaeva, N.P. Liquid heavy water structure and heat capacity / N.P. Sargaeva, A.B. Naymushin, L.V. Puchkov, P.M. Sargaev // RCCT2007. -Abstr. Vol. 1. -Suzdal, Jul. 1-6, 2007. -P. 119-120.

10. Sargaeva, N.P. Liquid heavy water structure and heat capacity / N.P. Sargaeva, A.B. Naymushin, L.V. Puchkov, P.M. Sargaev // RCCT 2007. - Abstracts. Vol. 1. - Suzdal, July 1-6, - 2007. - P. 119-120.

11. Sargaeva, N.P. The nature of heat capacity distinction of liquid D2O and H2O / N.P. Sargaeva, A.B. Naymushin, L.V. Puchkov, P.M. Sargaev // RCCT 2007. - Abstr. Vol. 1. - Suzdal, July 1-6, - 2007. -P. 121.

12. Sargaeva, N.P. Heat capacity bose-fermi contrasts of D2O and H2O liquids / N.P. Sargaeva, A.N. Baryshev, L.V. Puchkov, P.M. Sargaev // RCCT 2009. - Abstracts. -Vol. 1. -Kazan, Russian Federation. -June 29-July 3, -2 009. - P. 309.

13. Sargaeva, N.P. Liquid water boson peak at near-critical temperatures / N.P. Sargaeva, A.N. Baryshev, L.V. Puchkov, P.M. Sargaev // RCCT 2009. - Abstracts. -Vol. 1. -K azan, Russian Federation. - June 29-July 3, - 2009. - P. 232.

14. Einstein, A. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases / A. Einstein // Sitzungsber. preuss. Akad. Wiss., Phys.-math. K1. - 1925. - S. 3-14.

15. Саргаева, Н. П. Критерии взаимодействия акустических полей с компонентами внутренней среды / Н.П. Саргаева, А.Б. Наймушин, А.Н. Барышев, П.М. Саргаев // Материалы юбилейной международной научной конференции, посвященной 200-летию высшего ветеринарного образования в России и 200-летию СПбГАВМ. - СПб, -СПбГАВМ, -2008. -С. 81-82.

16. Moelwyn-Hughes, E.A. The Determination of Intermolecular Energy Constants from Common Physicochemical Properties of Liquids / E. A. Moelwyn-Hughes // J. Phys. Chem. - 1951. - Vol. 55, - №. 7. -P. 1246-1254.

© Н. П. Саргаева - асп. Санкт-Петербургского госуд. политехнического ун-та; А. Н. Барышев - асп. каф. неорганической химии и биофизики, Санкт-Петербургской госуд. академии ветеринарной медицины; Л. В. Пучков - д-р хим. наук, проф. каф. физической химии Санкт-Петербургского госуд. технологического ин-та; П. М. Саргаев - д-р хим. наук, проф. каф. неорганической химии и биофизики Санкт-Петербургского госуд. технологического ин-та, alla-zvy@yandex.ru