Энергия воды
Людям повезло, что на нашей планете находятся достаточно большие залежи полезных ископаемых, способных стать источниками энергии. Но запасы эти не безграничны и постепенно истощаются. Очевидно, что когда-то месторождения природного газа, угля и нефти могут иссякнуть.
Поэтому к самым значительным изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с открытием новых источников энергии, позволяющих экономить запасы природного сырья. За это их и называют альтернативными источниками энергии. В наши дни такими источниками могут послужить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная энергия), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов, атома.
Использование энергии движущейся воды — древнейшее открытие
Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет вода была фактически единственным источником постоянной энергии вплоть до изобретения в XII в. ветряных мельниц. Еще в древние времена человек заметил, что если до половины погрузить в реку колесо с лопастями, то оно начнет вращаться. Тем самым энергия текущей воды даже в примитивной гидроустановке (от греч. «hydor» — «вода») превращалась в механическую энергию. Так, например, существует исторический документ, который утверждает, что на реке Сене (Франция) в 1682 г. была возведена крупнейшая по тем временам гидроустановка. Она состояла из 13 колес диаметром по 8 м и обеспечивала работу более 200 насосов, которые приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.
Как работает водяная мельница
Несмотря на то, что эффективность древних гидроустановок была низкой, она все равно была несопоставимо большей по сравнению с тем, на что были способны люди или животные. Кроме того, эта энергия являлась бесплатной и была подарена самой природой.
Одним из самых древних примеров использования человеком энергии воды является водяная мельница. Водяное колесо в ней насажено на вал жернова. Вода вращает колесо — вращается и жернов, мелет зерно.
По мере развития технологии область применения водяных колес расширилась: их стали использовать не только для помола зерна, но и для приведения в действие станков или насосов. До изобретения парового двигателя число гидроустановок неуклонно росло, но затем наступило затишье. Однако в начале XX в. начался период бурного строительства гидростанций, но уже для выработки с помощью движущейся воды электроэнергии.
Эволюция водяного колеса
Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Струя воды увлекала за собой лопасти колеса. Оно могло быть расположено как вертикально, так и горизонтально. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название подливных.
В результате множества технических усовершенствований в Средние века появились более эффективные верхненаливные колеса, которые вращались за счет действия веса падающей на них воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м, но даже при этом КПД водяного двигателя оставался низким. Вращаясь со скоростью чуть более 10 об/мин, колеса использовали менее двух третей энергии воды, и их мощность редко превышала 10 кВт.
Струйные и радиальные турбины
В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. За почти двухсотлетнюю историю эксплуатации было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяла в лопасти турбины и заставляла ее вращаться.
Радиальные турбины чаще используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад по высоте в 10—15 м. В XX в. такие турбины получили широкое распространение в связи с развитием гидроэлектростанций.
Первую гидротурбину подобной конструкции, которая имеет практическое применение, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.
В турбине Фурнейрона вода подается в спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Поток воды из кожуха поступает на вогнутые лопатки ротора, расположенного в центре «улитки», и вращает его. Ротором в такой конструкции является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Это колесо и является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Кстати, турбины Фурнейрона были установлены на первой в мире крупной гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде в Канаде.
Энергия приливов и отливов
Еще одним способом извлечения энергии из водных ресурсов планеты являются приливно-отливные станции. Оказалось, что вода морей и океанов, поднимающаяся более чем на десять метров во время приливов, несет с собой практически неограниченный запас энергии. Для ее использования в узких береговых проходах ставят преграду — плотину. Проникая через отверстия в такой плотине, вода вращает колеса или турбины, причем как во время прилива, так и во время отлива.
Существуют также такие гидростанции, на которых во время прилива вода перетекает в закрытый бассейн через шлюзы в дамбе или плотине. Затем шлюзы закрывают, уровень воды в море падает, а задержанная вода, вытекая из бассейна, вращает водяные колеса или гидротурбины.
Это интересно!
Энергию приливов впервые в заметных количествах стали использовать уже во второй половине XVI в. Так, например, жители Лондона (Англия) столкнувшись с перебоями водоснабжения, установили водяные колеса на реке Темзе. Вращаемые то в одну, то в другую сторону приливами, они заставляли работать насосы, закачивающие воду в трубы, по которым она текла в город.
Самая первая и крупнейшая приливно-отливная станция «Ля Ране» была построена в 1966 г. в устье реки Ране (Франция). Протяженность плотины станции составляет 800 м. Благодаря тому, что перепад высот прилива и отлива в этом месте составляет от 12 до 18 м, мощность «Ля Ране» доходит до 240 МВт.
Источник
Физика кто придумал воду
ВОДА — простейшее устойчивое хим. соединение водорода и кислорода (окись водорода — H2O), при нормальных условиях — бесцветная (голубоватая в толстых слоях) прозрачная жидкость без запаха. Одно из самых распространённых соединений в природе, играющее исключительно важную роль в процессах, происходящих на Земле. Молекулы В. зарегистрированы также в межзвёздном пространстве, она входит в состав комет, больших планет Солнечной системы и их спутников, обнаружена на Марсе и Венере.
Известно 3 изотопа водорода ( 1 H — протий; 2 H, или Д,- дейтерий; 3 H, или Т,- тритий) и 6 изотопов кислорода ( 14 O, 15 O, 16 O, 17 O, 18 O и 19 O), так что существует большое кол-во изотопных разновидностей молекул В. В природной В. на 10 5 атомов H приходится 15 атомов 2 H, а на 10 4 атомов 16 O — 20 атомов 18 O и 4 атома 17 O. Остальные изотопы H и О радиоактивны. Свойства т. н. тяжёлой воды D2O (др. «тяжёлые» изотопные разновидности молекул В. обычно к этому термину не относят) сильно отличаются от свойств природной В. (см. ниже). Тяжёлая В. применяется в промышленности, технике и научных исследованиях. Наряду с тяжёлой В. в физ., хим. и биол. экспериментах используется В., содержащая T, 18 O и 17 O (в частности, в колебательной и ЯМР-спектроскопии, нейтронографии и др.). Свойства В., содержащей тяжёлые изотопы О, не так резко, как для D2O, отличаются от свойств обычной В. Молекула В. представляет собой равнобедренный треугольник с ядрами О и H в вершинах. Ниже приведены нек-рые характеристики молекулы В. (в основном состоянии):
Межатомное расстояние О-H
Валентный угол H-О-H
2,938*10 -40 г*см 2
1,919*10 -40 г*см 2
1,022*10 -40 г*см 2
Cp. электрич. квадрупольный момент
5,6*10 -26 ед. СГСЭ
Сродство к протону
Физические свойства воды. В. может существовать в твёрдом (лёд), жидком и газообразном состояниях. Области существования разл. фаз В. показаны на диаграмме (рис. 1). Физ. свойства В. своеобразны. Так, при атм. давлении плавление льда В. сопровождается уменьшением объёма на 9% (рис. 2); коэф. термич. расширения льда (модификации Ih, см. ниже) в интервале 0-63 К и жидкой В. до 3,98 0 C отрицателен (рис. 3). Теплоёмкость ср жидкой В. почти вдвое выше, чем твёрдой и газообразной, и в интервале темп-р 0- 100 0 C почти не зависит от темп-ры (имеется очень пологий минимум при 35 0 C). Минимум изотермич. сжимаемости наблюдается при 46 0 C (рис. 4). Не совсем обычна зависимость вязкости жидкой В. от давления: в области сравнительно низких давлений при темп-pax до 30 0 C вязкость с ростом давления уменьшается. Молекула В.- полярная, и жидкая В., и лёд являются диэлектриками. В. диамагнитна. Свойства В. зависят от её изотопного состава. Так, давление пара D2O при 20 0 C на 13% ниже, чем пара H2O; при 222 0 C значение давлений для них одинаковы, а при более высоких темп-pax давление пара D2O выше, чем для H2O. Ниже приведены значения нек-рых физ. величин для обычной и тяжёлой В. в газообразном, жидком и твёрдом (лёд Ih) состояниях при атм. давлении (кроме критич. параметров):
жидкость при 20 0 C
Вязкость при 20 0 C
276,97 К (3,815 0 C)
373, 16 К (100 0 C)
374,59 K(101, 43 0 C)
647,3 К (374, 15 0 C)
643,9 К (370,7 0 C)
Теплота сублимации льда при 0 0 C
жидкость при 0 0 C
лёд при — 10 0 C
жидкость при 25 0 C
жидкость при 0 0 C
жидкость при 100 0 C
пар при 100 0 C
Адиабатич сжимаемость при 20 0 C
4,555*10 -12 м 2 /Н
Время диэлектрич. релаксации
жидкость при 25 0 C
Молекулярная магн восприимчивость при 20 0 C
Поверхностное натяжение жидкой воды
Показатель преломления при 20 0 C
Благодаря высоким теплоёмкости, теплоте плавления и испарения, а также особенности зависимости плотности от темп-ры, В. является важным регулятором и стабилизатором климатич. условий на Земле. Высокая диэлектрич. проницаемость, большой дипольный момент молекулы, обеспечивающие хорошую растворимость в В. мн. веществ, широкий температурный интервал существования жидкого состояния наряду с аспространённостью В. обусловливают её широкое применение для мн. технол. процессов.
Рис. 1. Фазовая трёхмерная диаграмма воды. Показаны области температуры и давлений существования и сосуществованияразличных фаз и их удельные объёмы.
Структура воды. Поскольку молекулы В.- полярные и обладают значит. дипольным моментом, они сильно взаимодействуют друг с другом и с др. полярными молекулами. Атомы H молекулы В. могут образовывать водородные связи с атомами кислорода, фтора, азота и нек-рыми др. атомами. Водородная связь изменяет геометрию и электронную конфигурацию молекулы В.: длины связей О-H и валентные углы Н-О-H увеличиваются. В результате дипольный момент растёт, полосы в колебательных спектрах, обусловленные валентными и деформац. колебаниями, сдвигаются в низкочастотную область и уширяются. В водяном паре при невысоких давлениях и умеренных темп-pax присутствует небольшое кол-во (ок. 1% при темп-ре кипения и атм. давлении) димеров — систем, состоящих из двух молекул В. Энтальпия образования димеров (Н2О)2
15 кДж/моль), расстояние между атомами кислорода в них
0,3 нм. В конденсир. фазах каждая молекула В. может участвовать в четырёх водородных связях: в двух в качестве донора протона и в двух — в качестве акцептора.
Рис. 2. Температурная зависимость молярного объема жидкой воды при атмосферном давлении в области её максимальной плотности.
Рис. 3. Температурная зависимость коэффициента 
термического расширения льда Ih и жидкой воды (при атмосферном давлении). Заштрихованные участки — области отрицательных значений коэффициента 
.
Рис. 4. Температурная зависимость коэффициента изотермической сжимаемости для жидкой воды при атмосферном давлении.
Рис. 5. Тетраэдрическая координация молекул воды в конденсированных фазах. Показана одна из многих возможных ориентации молекул.
Известно 10 модификаций льда (табл.), существует также аморфный лёд.
Симметрия кристаллов и плотность льда
Сингония и пространственная группа
Плотность (г/см 3 )
при 98 К и атм. давлении
в области стабильного существования *
кубическая, 
тригональная, 
тригональная,
* Лёд IV является метастабильной фазой в области стабильного существования льда V; лёд IX -упорядоченный по ориентациям молекул вариант льда III, а лёд VIII-льда VII; в скобках темп-pa в К и давление в кбар.
Из структурных исследований кристаллич. модификаций льда и кристаллогидратов (органич. и неорга-нич. кристаллов, в состав к-рых входят молекулы воды) известно, что ср. расстояние О. . .О составляет
0,28 нм, а угол О-H. О в наиб. энергетически выгодной конфигурации 180°. Четыре водородные связи молекулы В. направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра (рис. 5). В кристаллогидратах довольно часто встречаются молекулы В., участвующие в трёх водородных связях: в двух — в качестве донора и в одной — акцептора. Во всех модификациях льда система водородных связей между молекулами представляет собой трёхмерную сетку (рис. 6). В гексагональной и кубической модификациях, существующих при низких давлениях (льды Ih и Ic), все связи практически прямолинейны и каждая молекула окружена четырьмя другими, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Расположение атомов кислорода в них такое же, как углерода в алмазе (лёд I с) и лонсдейлите (лёд Ih). В модификациях, устойчивых при высоких давлениях (кроме льдов VII и VIII), связи искривлены (углы О-H. . .0 меньше 180°) и углы между ними заметно отличаются от тетраэдрич. (109°28′). В самых плотных модификациях VII и VIII две неискажённые сетки, такие же, как во льду Iс, вставлены одна в другую. В структуре льда VI также можно выделить две вставленные друг в друга сетки, но связи в них сильно искривлены, а окружение молекул заметно отличается от её окружения при идеально тетраэдрической структуре. Все модификации льда (кроме II, VIII и IX) ориентационно разупорядочены. Каждая молекула В. в них может быть ориентирована одним из шести способов (по числу рёбер тетраэдра), за счёт чего кристаллы этих модификаций обладают остаточной энтропией, т. е. при абс. нуле темп-р сохраняется нек-рая разупорядоченность. Низкочастотная диэлектрич. проницаемость ориентационно разупорядоченных модификаций высока (100 и выше), а упорядоченных — низка (
Рис. в. Структура обычного (1h) льда.
Рис. 7. Парная корреляционная функция gОO межатомных расстояний О. . .О(r) в жидкой иоде (плотность вероятности расстояний r между атомами О).
Эксперим. данные, полученные с помощью рентгеновского структурного анализа, нейтронографии, колебат. спектроскопии, ЯМР, рассеяния света, термодинамич. методов, исследования диэлектрич. релаксации и др., позволяют утверждать, что трёхмерная приближённо тетраэдрич. сетка водородных связей существует и в жидкой В. во всём интервале темп-р и давлений. Это, в частности, следует из анализа парной корреляционной функции расстояний О. . .О (рис. 7), построенной на основании нейтронографич. и рентгенографич. исследований. Положение первого максимума и площадь под ним говорят о том, что каждая молекула в ср. окружена менее чем пятью др. молекулами, находящимися на расстоянии, близком к длине водородной связи, а положение второго максимума (
4,5 
) соответствует длине ребра тетраэдра вокруг молекулы воды (рис. 5). Эти данные трудно согласовать с существующими моделями В., допускающими наличие в ней ассоциатов, групп, кластеров (в к-рых молекулы соединены водородными связями), разделённых несвязанными молекулами. По-видимому, ближе к реальности т. н. клатратные модели (наиб. известная из них — модель, предложенная О. Я. Самойловым в 1946), постулирующие размещение несвязанных молекул в пустотах трёхмерной сетки («каркаса»), однако эти модели требуют наличия значит. концентрации несвязанных молекул. В действительности же их скорее всего содержится незначит. кол-во. Повышенная плотность жидкой В. по сравнению со льдом I объясняется, как и в случае плотных модификаций льда, уменьшением объёма в результате искривления связей и отклонения координации молекул от идеально тетраэдрической. С другой стороны, ср. длина водородных связей при возрастании темп-ры увеличивается, что приводит к расширению В. Наличие этих двух противоположных тенденций объясняет своеобразную зависимость объёма В. от темп-ры.
Представление о жидкой В. как о трёхмерной тетраэдрич. сетке из связанных друг с другом молекул впервые было высказано Дж. Д. Берналом (J. D. Веrnal) и P. Фаулером (R. G. Fowler) в 1933. Как показали эксперим. данные 70-80-х гг., в жидкой В. реализуется нек-рая случайная тетраэдрич. сетка, отличная от существующих в кристаллич. модификациях льда или в др. тетраэдрич. координированных кристаллич. структурах. Такая концепция наилучшим сбразсм согласуется и с результатами изучения В. теоретич. методами и при помощи численного моделирования на ЭВМ (молекулярной динамики метод и Монте-Карло метод).
Химические свойства воды. Химически чистая В. состоит почти исключительно из молекул H2O. Незначительная доля молекул (при 25 0 C — примерно одна на 5*10 9 ) диссоциирует по схеме 
. Протон H + в водной среде существовать в свободном состоянии не может и, взаимодействуя с молекулами В., образует комплексы H6O2 + . Расстояние О. . .О в таких комплексах заметно короче, чем при нормальной водородной связи между нейтральными молекулами. Но поскольку протон, по-видимому, находится не точно посредине этой укороч. связи, а ближе к одному из атомов О, то в таком комплексе можно выделить ион оксония H3O + . Хотя степень диссоциации в В. ничтожна, она играет большую роль в хим. процессах, происходящих в разл. системах, в том числе в биологических. В частности, она является причиной гидролиза солей слабых K-T и оснований и нек-рых др. реакций, протекающих в В.
При повышенных темп-pax происходит разложение В. на элементы: 
(при давлении 1 атм и темп-ре 1015 0 C разлагается 0,034%, при 2215°- 8,6%, при 2483° — 11% молекул). Под действием УФ-излучения (с длиной волны 1650 нм) происходит фото-хим. диссоциация В. Ионизирующие излучения вызывают радиолиз В. с образованием H2, перекиси водорода H2O2 и свободных радикалов (H, ОН, HO2).
В. взаимодействует со мн. элементами и веществами. Так, при реакции В. с наиб. активными металлами выделяется водород и образуется соответствующая гидроокись. При реакции В. со мн. окислами образуются к-ты или основания. В. гидролизует гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов и др. вещества.
Среди кристаллогидратов особый интерес представляют клатратные гидраты, в к-рых молекулы В,, соединяясь водородными связями друг с другом, образуют трёхмерный каркас, содержащий крупные пустоты, в к-рых размещаются молекулы др. веществ (в т. ч. атомы инертных газов, молекулы углеводородов, CO2, Cl2 и др.). Эти клатратные гидраты можно рассматривать как неустойчивые в свободном состоянии модификации льда, стабилизированные внедрившимися в пустоты химически малоактивными молекулами.
Источник
