Размещено на http://www.allbest.ru/

126

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени «кандидат технических наук»

на тему:

ОБЛЕДЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ И БОРЬБА С НИМ

ВСТУПЛЕНИЕ

В период возникновения Государственного газового концерна «Газпром» во главе с председателем Правления В.С Черномырдиным была произведена закупка систем управления транспортом газа у заграничных фирм-разработчиков (Англия, Франция, Италия, Германия). Например, таких как ГЕОМАТИК, ЭНТРОНИК, СПИДТРОНИК и др. Они успешно обеспечивали транспорт газа. Авторитет «Газпрома» возрос. Газ успешно гнали за границу. В этих системах по-разному решалась проблема борьбы со льдообразованием. Общим являлось то, что принцип действия и принципиальная схема составляли коммерческую тайну и не публиковались. Работали они бесперебойно в автоматическом режиме. Срок гарантии истёк и возникли проблемы, аналогичные тем проблемам, которые существовали на отечественных системах. Мне было поручено разрешить проблему борьбы со льдообразованием на газоперекачивающих агрегатах (далее везде - ГПА). Предметом исследования стал ЛЁД, как фазовое состояние воздушно-водной среды. Введём понятие воздушно-водной среды. Это среда, в которой мы живём и нашу жизнь в ней обеспечивают технические средства, которые подвергаются обледенению. Нам предстоит изучить лёд с целью борьбы с ним в узком секторе - ГПА. В принципе обледенению подвержены все технические средства, в том числе авиационный, морской, автомобильный транспорт, ЛЭП, шоссейные дороги и пешеходные пути. Но это другая тема, тесно связанная с изучаемой. Как показал опыт успешно разработанная система нашла применение и в других, указанных выше областях техники

Введение

сигнализация обледенение пьезоэффект резонанс частота

А). Предмет исследования. Лёд. Обледенение и борьба с ним.

Б). Цель работы.

Научно обобщить данные возникновения льда, разработать теорию процесса льдообразования и таяния льда. На основе обобщённого анализа сделать вывод об эффективной и успешной борьбе со льдом. Разработать и внедрить систему борьбы со льдообразованием конкретно в технике ГПА с возможностью применения в других отраслях (авиа, флот, ЛЭП, ЖКХ).

В).Рамки исследования.

В математическом обеспечении обозначим рамки: от традиционного классического метода в физике до квантовой электроники «вынужденного (индуцированного( излучения», основанной на Теории индуцированного излучения А. Эйнштейна.

Вымнужденное излучемние, индуцимрованное излучение -- генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) из возбуждённого в стабильное состояние (меньший энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого была равна разности энергий уровней. Созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными. Большой вклад в разработку вопроса о вынужденном излучении (испускании) внес А. Эйнштейн.



Альберт Эйнштейн Albert Einstein

Дата рождения: 14 марта 1879(1879-03-14)

Место рождения: Ульм, Королевство Вюртемберг, Германская империя

Дата смерти: 18 апреля 1955(1955-04-18) (76 лет)

Место смерти: Принстон, Нью-Джерси, США

Страна: Германия

(1879--1896, 1914--1933) апатрид (1896--1901)

Швейцария (с 1901) США (1940--1955)

Научная сфера: Теоретическая физика

Место работы: Патентное бюро в Берне.

Цюрихский университет.

Карлов университет.

Институт Кайзера Вильгельма.

Лейденский университет.

Институт фундаментальных исследований.

Альма-матер: Высшая техническая школа Цюриха.

Известен как: Создатель общей и специальной теории относительности.

Награды и премии Нобелевская премия по физике (1921).

медаль Копли.

медаль Планка.

медаль Маттеуччи.

Подпись

Г). Научная задача. Формулировка: «Теория борьбы со льдообразованием в технике на базе квантовой электроники» вымнужденного излучемния, открытого А. Эйнштейном.

Д) Краткая аннотация всех разделов.

Часть 1. Теоретическое исследование воздушно-водной среды и поиск путей для решения научной задачи борьбы с обледенением в технике вообще и ГПА в частности.

Часть 2. Обзор, методов и выбор способа борьбы с обледенением

Часть 3. Результаты исследования:

- разработка конкретного устройства,

- практические рекомендации по его эксплуатации,

- экономический эффект от его внедрения».

Ж). Формулировка нового. (Выделено синим цветом).

Возможны два случая образования льда:

первый, когда в воде отсутствуют кристаллы льда или ядра для их образования. Процесс льдообразования характеризуется большой сложностью и еще недостаточно изучен.

Второй -- когда в охлаждаемой воде они присутствуют. Каждый из случаев имеет свои особенности образования льда. Во втором случае процесс льдообразования более простой, что позволяет определить количественные зависимости толщины и скорости намораживания льда от условий охлаждения воды и установить, таким образом, степень влияния отдельных факторов на этот процесс.

Первый случай характерен для открытых пространств. Главное внимание уделяем ему, как мало исследованному.

Исследование обледенения: появление-таяние льда в соответствии с Теорией индуцированного излучения А. Эйнштейна

Применительно ко льдообразованию выдвинем аналогичную гипотезу, состоящую в том, что молекула воды под действием кванта тепловой энергии (аналогично тому, как у Эйнштейна под действием электромагнитного поля частоты щ) индуцирует фотон, энергия которого была равна разности энергий уровней. При этом созданный фотон имеет те же энергию, импульс, фазу и поляризацию, что и индуцирующий фотон, который при этом не поглощается.

Оба фотона являются когерентными

Когеремнтность (от лат. cohaerens -- «находящийся в связи») -- скоррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты.

Классический пример двух когерентных колебаний -- это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.

Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно, ситуация, когда разность фаз между двумя точками не константа, а почти случайно «скачет» со временем (сбои фаз). Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых (то есть нескоррелированных) излучателей.

Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временномй и пространственной когерентности. При распространении электромагнитных волн в волноводах могут иметь место фазовые сингулярности. В случае волн на воде когерентность волны определяет так называемая вторая периодичность.

Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция.

Радиус когерентности -- расстояние, при смещении на которое вдоль псевдоволновой поверхности, случайное изменение фазы достигает значения ~р.

Введённое нами понятие кванта тепловой энергии относительно молекулы воды обладает аналогичными свойствами. Отличие лишь в частоте щ, переходящей в инфракрасный диапазон.

Второй случай характерен для ГПА. Особенно проявляется он на медной поверхности, способствующей образованию ядер кристаллизации (по этой причине впоследствии выбран материал датчика).

В природе оба случая действуют одновременно. В технике борьбы с обледенением учитываем оба случая.

З) Сведения о публикации.

Материал опубликован на персональном сайте www.semuyu.narod.ru/ в Интернет и доступен всем желающим. Имеет место высокая посещаемость (цитируемость) сайта.

И). Внедрение.

Устройство внедрено на магистральном газопроводе Уренгой-Помары-Ужгород на ГПА газоперекачивающей станции «Приводино» Ухтатрансгаз. Апробровно на меговаттных ГПА в Бердичеве Укртрансгаз. Обсуждено в Киевском НИИТРАНСГАЗ. Защищено авторским свидетельством. Получило серебряную медаль на ВДНХ СССР. Выпускается серийным произвдством на экспериментальном заводе Калиниградгазавтоматика - КЭЗ. Одобрено обслуживающим персоналом ГПА.

Разработка темы

Часть 1. Теоретическое исследование воздушно-водной среды и поиск путей при решении научной задачи борьбы с обледенением в технике вообще и ГПА в частности.

Самое необычное вещество в мире: вода. Наверное, нет смысла говорить о том, сколь важно это вещество для всех естественных наук и для каждого из нас. Не случайно многие пытаются спекулировать на интересе к воде. С другой стороны, нельзя упрощать ситуацию и говорить, что мы знаем о воде всё; это совсем не так, вода была и остаётся самым необычным веществом в мире. Чтобы в деталях рассмотреть особенности воды, нужен обстоятельный разговор. А начинаем мы его главами из замечательной книги академика И.В. Петрянова-Соколова, которая вышла в издательстве „Педагогика“ в 1975 году. Эта книжка, кстати, вполне может служить образцом научно-популярного разговора крупного учёного с таким непростым читателем, как ученик средней школы, студент, аспирант.

«Всё ли уже известно о воде»

И продолжим книгой:

авторов: Леонид Кульский, Воля Даль, Людмила Ленчина

«Вода знакомая и загадочная» ^[2]

Из них узнаём о воде, которая становится льдом -- кристаллическим твердым телом.

Рис.1.8. Зависимость относительного объема воды от температуры

В фазе льда вода образует ажурную конструкцию с «каналами» между фиксированными группами молекул воды.

Вероятно, со структурной перестройкой связано и еще одно своеобразное свойство воды -- резкий скачок теплоемкости при фазовом переходе «вода -- лед». Вода при 0°С имеет удельную теплоемкость 1,009. Удельная теплоемкость превратившейся в лед воды при этой же температуре вдвое ниже. Благодаря особенности структурного перехода «вода -- лед», в интервале 3,98...0°С природные водоемы достаточной глубины обычно не промерзают до дна. С наступлением зимних холодов верхние слои воды, охладившись примерно до +4°С и достигнув максимальной плотности, опускаются на дно водоема. Эти слои несут в глубины кислород и помогают равномерному распределению питательных примесей. На их место к поверхности поднимаются более теплые массы воды, уплотняются, остывая при контакте с приповерхностным воздухом, и, охладившись до +4°С, в свою очередь опускаются вглубь. Перемешивание идет до тех пор, пока циркуляция не исчерпается и водоем не покроется плавающим слоем льда. Лед надежно предохраняет глубины от сплошного промерзания -- ведь его теплопроводность намного меньше, чем воды.

Гексагональная структура кристалла -- строгая периодичность пространственного повторения структуры шестигранника, в узловых точках которого располагаются атомы, ионы или молекулы.

ГИГАНТЫ И КАРЛИКИ

Разновидности льда

В природе существует множество разновидностей и форм льда -- морского и пресноводного, атмосферного и почвенного; от колоссальных плавучих гор-айсбергов до мельчайшей пыли, висящей в морозном воздухе.

Морской лед образуется преимущественно в высоких широтах при замерзании верхних слоев воды. В Антарктиде преобладают однолетние льды, покрытые слоем снега. Арктические льды в основном многолетние, толщина их достигает нескольких метров. Образование и существование морского льда влияют на окружающую морскую среду. При замерзании морской воды происходит как бы ее естественное опреснение вследствие различных температур замерзания воды и солевого раствора, каким является морская вода. Поэтому морской лед содержит меньше солей, чем вода, из которой он образуется.

Значительное количество запасов пресных вод находится в кристаллическом состоянии в виде материковых льдов Арктики, Антарктики и ледников высокогорных районов. Ледники являются ценными запасами пресных вод, и сейчас изучается возможность их рационального использования. В Финляндии в песчаном холме на глубине 30 м находится уникальный подземный ледник. Финские ученые полагают, что это реликтовое образование ледникового периода.

В высоких широтах Земли снег не тает полностью даже летом. Из года в год нарастают слои снежного покрова. Образовавшиеся в теплую погоду талые воды впитываются в снег, а при замерзании сырой снежной массы образуются фирновые зерна -- снег становится похожим на светлые икринки. Фирн -- своеобразная промежуточная форма между снегом и льдом. Тяжестьновых слоев спрессовывает фирн в монолитную ледяную массу. Кое-где остаются мелкие пустоты, заполненные пузырьками воздуха. Он с легким треском освобождается при таянии льда. Так в течение тысячелетий накапливается ледяной покров Гренландии -- родины айсбергов. Под собственным весом белый гигантский щит постепенно обретает пластичность и начинает медленно сползать в океан. Ежегодно на побережье этого крупнейшего в мире острова, откалываясь от оконечностей ледников, рождаются 10... 15 тысяч айсбергов. Примечателен береговой ледник Ринг, разламывающийся через каждые две недели. В течение нескольких минут от отвесных склонов этого ледника отделяются и с шумом погружаются в океан громадины весом в сотни тысяч тонн. В одиночку и группами отправляются они в далекое плавание по океану, постепенно достигая южных побережий, вплоть до Азорских островов и Флориды. Многие айсберги оседают на мелях и постепенно тают, однако в периоды солнечной активности Северная Атлантика буквально заполняется этими ледяными плавучими горами, нередко окутанными плотным туманом. Чтобы предотвратить столкновение кораблей с айсбергами, в Атлантике с 1914 года действует специальная служба -- Международный ледовый патруль. Он вооружен эхолотами и гидролокаторами, способными выявлять подводные очертания айсбергов. Специальные анализаторы, сигнализирующие о внезапном падении солености и температуры воды, предупреждают о приближении ледяных гигантов. Чтобы сделать айсберги более заметными издали, их обстреливают снарядами, начиненными яркими светящимися красками. Любой корабль, находящийся в опасной акватории, может получить необходимую информацию

И снимки ледяного покрова океана с помощью спутников. Еще более мощный поставщик айсбергов -- Антарктида, необозримый ледовый континент. Антарктические айсберги плавают по огромной территории холодных южных морей, не стесненных материковыми границами, иногда поднимаются до южных побережий Африки и Австралии. Форма этих айсбергов имеет свои особенности: зачастую это так называемые столовые айсберги -- плоские ледовые поля, мало возвышающиеся над водой. Будучи обломками шельфового льда, они имеют солоноватые нижние слои, но основная их масса -- пресный чистейший лед.Самым крупным из антарктических считают айсберг, обнаруженный исследователями в 1964 году. Образовавшийся после разлома шельфовых ледников Эмери и Западного, этот гигант достигал 175 км в длину и 75 км в ширину, а его площадь составляла 12 тыс. кв. км. Айсберги, подобные этому, поднимаются над водой на сотни метров. А поскольку примерно 6/7 их высоты скрыто под водой, то их несет подповерхностное течение, направление которого не всегда совпадает с поверхностным. Поэтому айсберги часто меняют курс, что увеличивает опасность столкновения с ними.

При длительном дрейфе в айсбергах зачастую образуются целые системы сквозных промоин. Такие айсберги называют поющими: в ветреную погоду они неожиданно издают фантастические звуки.

Способность генерировать звуки обнаружена и у льдов, не имеющих заметных полостей. олярные льды в напряженном состоянии многоголосо звучат, подобно огромному органу. Характер звучания льда зависит от температуры кружающего воздуха, но природа этого явления пока остается загадкой. Еще в начале нашего века в айсбергах видели лишь угрозу, теперь люди начинают активно использовать их для различных целей. Основная задача -- использовать эти гигантские ледяные «консервы» как источники водоснабжения. Особенно ажно это для безводных побережий Австралийского и Южноамериканского континентов, сравнительно близких к Антарктическому бассейну. Конечно, дальняя транспортировка айсбергов -- дело сложное и непривычное. Немало трудностей связано и с тем, чтобы заставить айсберги таять в нужном режиме. Однако по предварительным расчетам стоимость талой воды из прибуксированных айсбергов все равно оказывается намного ниже опресненной морской. Кроме того, эта вода сразу пригодна для питья. И еще одно, несколько неожиданное свойство айсбергов и многолетних толщ материковых льдов обнаружили ученые. Оказалось, что это идеальные «кладовые памяти» нашей планеты.

Вследствие циркуляции воздушных масс мельчайшие частицы взвешенных в воздухе примесей отлагаются повсеместно на земной поверхности, но практически нигде, кроме ледяных массивов, они недоступны последующему наблюдению. В Антарктиде лед наращивался многие тысячелетия и теперь толщина его достигает примерно четырех с половиной километров. Здесь надежно законсервированы земная и космическая пыль, вулканический пепел,

микроорганизмы и даже воздух давно минувших времен. Все это позволяет понять ход природных процессов, познать далекое прошлое нашей планеты. Ученые все глубже изучают «память» ледяных покровов Земли, постигают значение ее для познания общепланетарных явлений стабильности климата, процессов перераспределения энергии на Земле и т. д. Хотя ледяные монолиты не образуют непрерывного слоя, их начинают выделять в отдельную сферу -- гляциосферу, наравне с атмосферой, гидросферой и литосферой. Льды планеты, составляющие десятую часть ее поверхности, --

Рис. 1.10. Зависимость формы кристалла льда от атмосферных условий

один из важнейших компонентов окружающего мира.

По сравнению с ледяными гигантами особенно ощутима миниатюрность почвенного игольчатого льда -- еще одной разновидности льда, встречающейся на нашей планете. Такой лед можно наблюдать при медленном охлаждении песчаных и гумусовых почв, когда температура окружающей среды постепенно переходит через нулевую отметку.

Изысканным геометрическим совершенством отличаются многие формы атмосферного льда -- снег, ней, ледяная пыль, крупа, град.

Снег образуется в облаках при определенных температурных условиях: капельки переохлажденной воды намерзают на ледяные мельчайшие кристаллики, содержащиеся в облаках. Особенно интенсивно они растут там, где в слое облака преобладают переохлажденные капли . В тропосфере основная масса облаков пребывает при температуре ниже 0°С, но попадающие туда при испарении с поверхности планеты водяные пары не сразу превращаются в лед. В заметных количествах кристаллики льда появляются там лишь в температурном интервале от -12 до -16°С, интенсивное кристаллообразование идет при -22°С, однако еще и при -41°С в блаках обнаруживают отдельные капли переохлажденной воды.Облака получают влагу от восходящих воздушных потоков и циркулирующих в атмосфере воздушных масс. В этих массах содержится основное количество (90%) атмосферной влаги.

Сложный режим восходящих потоков воздуха, питающих облака влагой, вносит разнообразие в образование и рост ледяных кристалликов в облаке. Постепенно они приобретают такие размеры и вес, что преодолевают подъемную силу восходящих потоков воздуха, и выпадают на землю в виде снега. Надо льдом давление насыщенного пара всегда меньше, чем над переохлажденной водой при этой же температуре. Когда капля воды в процессе образования снежинки сближается с кристалликом льда, из окружающей ее оболочки насыщенного водяного пара к ледяной поверхности, от большего давления к меньшему, устремляются молекулы воды. Оседая на кристаллике, они увеличивают его размеры. А капли постепенно испаряются: за счет слагающих их молекул воды они создают все новые паровые оболочки и тут же их теряют.

Структура снежного кристалла зависит от температуры, количества водяных паров, за счет которых он растет, и интенсивности их поступления. Все это создает удивительное разнообразие его форм. Специалисты, изучающие формы снежинок для определения их связи с ходом атмосферных процессов, насчитывают тысячи их разновидностей (рис. 1.10). Но при всем многообразии снежинки преимущественно имеют вид шести- и двенадцатилучевых звездочек -- дендритов, а также шестиугольных пластинок и шестигранных призм В температурном промежутке от -8 до -12°С в облаке идет образование главным образом дендритов.

\

В этих условиях отмечается наибольший перепад между давлением насыщенного пара над водой и над ледяной поверхностью.При -15°С появляются интересные смежные формы -- «запонки». Это кристаллические иголочки льда, с обеих сторон заканчивающиеся наросшими в виде основания ледяными звездочками или пластинками. Фигурку, у которой оба основания составляют пластинки, называют цузуми за сходство с традиционным японским барабаном. Есть предположение, что почти все плоские смежные кристаллы -- это цузуми с предельно укороченным столбиком. Лишь при сравнительно слабых морозах с неба летят снежинки-звездочки.В высоких широтах -- в Заполярье, Антарктиде -- чаще всего стоят суровые холода (-30...-50°С и ниже), и на землю ложится очень «неласковый» снег: каждая снежинка -- это заостренный

с одного конца граненый Рис. 1.11. Разновидности формы кристаллов льда а -- пластинка; в -- дендрит; в -- комбинация пластинка и дендрит-стерженек. Такие кристаллы обычно образуются в перистых облаках на высоте 7... 10 километров над поверхностью Земли, то есть почти в стратосфере.

В слое воздуха, непосредственно примыкающем к земной поверхности, у атмосферного льда свои особенности. Тут можно наблюдать иней, красиво искрящийся зимой на ветвях деревьев, на проводах. Он представляет собой дендритные кристаллики, отлагающиеся из влажного воздуха, процесс охлаждения которого проходит через точку росы.

Очень мелкие, чрезвычайно легкие ледяные кристаллики размером около 0,1 мм, так называемая алмазная пыль, висят в воздухе, почти не оседая. Особенно эффектны и нарядны они в солнечные морозные дни. Такие кристаллики образуются в холодном влажном воздухе при температуре около -20°С. При более низких температурах иногда в воздухе наблюдаются явления типа инверсионных. Подобно тому, как на фоне голубого неба сконденсированная водяная влага сохраняет некоторое время белые узоры от пролетевшего реактивного самолета -- инверсионный след, так и зимой позади идущего человека может появиться образованная ледяными кристалликами полоса протяженностью 300...400 м, остающаяся в воздухе несколько минут.

Крупа и град -- часто встречающиеся виды атмосферного льда. Они образуются, подобно снегу, в относительно высоких слоях атмосферы. Белая легкая крупа, холодный предшественник зимних снегопадов, представляет обой маленькие снежные комочки с налипшими капельками переохлажденной воды. Примерно по такой же схеме образуются и зерна града -- этого ледяного посланца атмосферы в летние дни. Только при градообразовании процесс намерзания на ледяные кристаллы капель воды повторяется многократно, чередуясь с намерзанием кристалликов льда.

Необычный лед

Гексагональная структура не единственно возможная для ледяных кристаллов. Например, в растворах ряда органических веществ отмечаются упорядоченные группы молекул воды вокруг молекул органических соединений. Это так называемые «айсберги», «зоны жидкого льда», имеющего кубическую структуру -- более рыхлую, чем гексагональная.

Вероятно, характером структуры объясняется и возможность ее образования при положительных температурах, особенно в системах с относительно малым содержанием воды. Такими системами можно считать, например, зерна хлебных злаков или газовый конденсат, в состав которого входит вода. Зерна злаков нередко оказываются замерзшими при температуре 4,5°С.

Нетающий лед можно встретить и при более высокой температуре окружающей среды -- до 20°C. Естественно, встречается он не повсеместно. Таким «теплым льдом» нередко оказываются забиты газопроводы. Эта снегоподобная масса льда состоит из своеобразных образований -- газогидратов, где в ледяной единой кристаллической структуре связаны молекулы воды и гомеополярные молекулы предельных углеводородов (преимущественно метана). Присутствием органических молекул и объясняется особая тепловая стойкость такого льда.

Как выяснилось, газогидраты широко встречаются и в природе, особенно в северных газовых месторождениях. Предполагают, что немалая доля газа в подземных месторождениях хранится в твердом состоянии, в виде газогидратов, что затрудняет традиционные способы добычи и транспортировки природного газа.

Газогидраты нередко бывают причиной серьезных помех нормальной работы газовых магистралей. Однако теперь и эту форму льда люди начинают эффективно использовать. Так, принципиально новые методы добычи, хранения и транспортировки газа позволяют реализовать процессы добычи голубого топлива в твердом виде.Другое направление использования «теплого льда» имеет прямое отношение к решению водных проблем. С помощью образования газогидратов, а затем при разделении газовой и водной фаз разработаны методы опреснения соленых вод.

Особенно эффективны эти методы там, где использовать их можно комплексно, например, при одновременном получении пресной воды и выработке из соленых вод ее ценных примесей -- дейтерия, редкоземельных металлов, а также при использовании низкопотенциального тепла в кондиционерах.

При внешнем разнообразии форм льда, встречающихся в гидросфере Земли, их физические свойства одинаковы или достаточно близки. И в снеге, и в граде, и в айсберге, и в почвенном игольчатом льде легко узнаем хорошо знакомую нам замерзшую воду.

Используя возможности современной техники, в специальных условиях можно соз-

дать совершенно необычные разновидности льда. Их получают, моделируя условия, господствующие на далеких космических телах или глубоко в недрах нашей планеты, где температура и давление в сотни и тысячи раз отличаются от тех, которые существуют на земной поверхности.

В глубоком вакууме при температуре ниже -170°С водяной пар, оседая на твердом теле, образует лед, лишенный кристаллической структуры. Он аморфен и внешним видом напоминает стекло. Отдельные молекулы замерзшей воды не упорядочены, как у льда в обычных условиях. Тем не менее, структура такого аморфного льда оказывается более компактной, чем льда кристаллического. Поэтому его плотность значительно выше -- 2,3 г/см³.

Не исключено, что такие или сходные формы льда могут входить в состав комет или образовываться на поверхности иных планет. В условиях повышенного давления также существенно изменяются свойства льда. Как правило, он приобретает повышенную плотность. Различают ряд модификаций льда, полученного при высоком давлении. Так, при давлении 208 МПа лед приобретает модификацию III, отличающуюся тем, что плотность его превышает 1. Лед III тонет в воде. Еще более плотный лед образуется при давлении около 300 МПа. В соответствии с особенностями структуры его относят к модификации

II. При более высоком давлении получают лед IV, который быстро преобразуется в лед V. Начиная со льда V, получаемого при давлении свыше 500 МПа, модификации представляют собой тугоплавкий лед. Лед VI уже можно назвать горячим, он плавится лишь при 80°С.

Самый плотный и тугоплавкий лед VII -- последняя из известных кристаллических модификаций. Получаемый при давлении 900 МПа, он плавится при 190°С, то есть при температуре, почти вдвое превышающей температуру кипения воды в нормальных условиях. Интересно, что лед VII, при всей необычности его свойств, вовсе не научный курьез. Вполне вероятно, что он встречается в неземных условиях и в глубинных слоях земной коры, но об этом пока можно судить лишь предположительно. Однако для того, чтобы обнаружить «сверхгорячий» лед, не нужно забираться так далеко. Огромные давления, которые нужны для его образования, могут развиваться в трущихся деталях крупных механизмов, например, подшипниках мощных турбин электростанций. И если в смазке для подшипников оказываются малейшие следы воды, она превращается в лед модификации VII. Твердость его очень высока, поэтому он крайне отрицательно действует на подшипники: изъязвляет их и быстро разрушает.

Все это еще раз убедительно показывает, как много необычного таит в себе вода и как важно ее детальное и всестороннее изучение.

При какой температуре вода замерзает?

Ну кто же не знает, что вода замерзает при нуле градусов? Это вторая опорная точка термометра. Это самое обычное свойство воды. Но ведь и в этом случае можно спросить: при какой температуре вода должна замерзать в соответствии со своей химической природой? Оказывается, гидрид кислорода на основании его положения в таблице Менделеева должен был бы затвердевать при ста градусах ниже нуля.

Из того, что температура плавления и кипения гидрида кислорода - его аномальные свойства - следует, что в условиях нашей Земли жидкое и твёрдое состояния его также аномальны. Нормальным должно было бы быть только газообразное состояние воды.

В природных условиях Земли лёд представлен, главным образом, одной из кристаллических модификацией, представленных на изображении.



Морфология снежных кристаллов. Компьютерное изображение.

Разгадка загадочной симметрии снежинок кроется в кристаллической решетке льда. Лёд -- это уникальное вещество, способное образовывать более десяти различных кристаллических структур^[2]

Физические основы образования льда

(уделено особое внимание изучению льдообразования с точки зрения квантовой электроники)

Возможны два случая образования льда при охлаждении воды: первый, когда в воде отсутствуют кристаллы льда или ядра для их образования, второй -- когда в охлаждаемой воде они присутствуют. Каждый из них имеет свои особенности образования льда. В первом случае процесс льдообразования характеризуется большой сложностью и еще недостаточно изучен. Во втором случае процесс льдообразования более простой, что позволяет определить количественные зависимости толщины и скорости намораживания льда от условий охлаждения воды и установить, таким образом, степень влияния отдельных факторов на этот процесс.

В холодильной технике льдообразование почти всегда протекает в условиях, когда имеются необходимые предпосылки для возникновения кристаллов льда. Образование твердой фазы из жидкой начинается только в отдельных точках -- центрах кристаллизации. В свою очередь образование первичных центров кристаллизации возможно только при переохлаждении жидкости. Переохлаждением жидкости называют разность температур между температурой плавления твердой фазы и температурой, при которой выделяются первые кристаллы. После появления кристаллов температура жидкости возрастает до температуры плавления.

Необходимость переохлаждения вызывается тем, что возникающие группировки (диспергированные кристаллы) с упорядоченным размещением молекул, близким к структуре кристаллов твердой фазы, неустойчивы. Эти группировки в соответствии с квазикристаллическим строением жидкости непрерывно разрушаются под воздействием теплового движения молекул. Когда температура жидкости становится ниже точки плавления, воздействие теплового движения молекул уменьшается.

Однако эти группировки, представляющие собой только несколько молекул с правильной кристаллической ориентировкой, остаются неустойчивыми и в условиях переохлаждении. Кристаллическая группировка становится устойчивой только тогда, когда в ней содержится несколько сот молекул. Образование такой группировки не может происходить самопроизвольно: оно требует содержания в жидкости твердых частиц. Стабильность этих групп может возникнуть только на поверхности раздела жидкости и твердых частиц, так как здесь имеется пленка жидкости, обладающая особыми свойствами молекулярной ориентации, отличающими ее от остальной массы жидкости. При движении воды у охлаждаемой стенки первые кристаллы должны выделяться в виде тонкого слоя льда, так как у нее находится наиболее переохлажденная пленка жидкости, обладающая свойствами молекулярной организации, необходимыми для образования устойчивых группировок.

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, особенно медные, при интенсивном охлаждении создают более благоприятные условия для образования первых кристаллов льда, чем гладкие и полированные, особенно стеклянные, при медленном их охлаждении. При интенсивном охлаждении воды с температурой выше О °С у металлической стенки образуется тонкий сплошной слой льда. Переохлаждение воды резко падает до тысячных долей градуса (практически можно считать, что переохлаждение отсутствует). Температура поверхности льда на границе с водой в течение всего дальнейшего процесса охлаждения ее остается постоянной и равной О °С. Действительно, температура плавления льда при атмосферном давлении не может быть выше О °С, так как известно, что иметь двойную фазу вещество в перегретом состоянии не может. С другой стороны, температура может понижаться лишь на тысячные доли градуса. Таким образом, практически температура льда на границе может быть принята равной О °С.

Эта важная особенность процесса намораживания льда у охлаждаемой стенки, омываемой водой, позволяет получить сравнительно простые расчетные зависимости, характеризующие динамику намораживания льда в воде плюсовой температуры.

Отрицательная температура ^[25]

При отрицательной температуре появляется лёд. Отрицательная абсолютная температура, величина, вводимая для описания неравновесных состояний квантовой системы, в которых более высокие уровни энергии более населены, чем нижние. В равновесном состоянии вероятность иметь энергию En определяется формулой:

 . (1)

Здесь E_i -- уровни энергии системы, k -- Больцмана постоянная, Т -- абсолютная температура, характеризующая среднюю энергию равновесной системы U = У (W_nE_n), Из (1) можно считать, что при Т > 0 нижние уровни энергии должны быть более населены частицами, чем верхние. Если система под влиянием внешних воздействий переходит в неравновесное состояние, характеризующееся большей населённостью верхних уровней по сравнению с нижними, то формально можно воспользоваться формулой (1), положив в ней Т < 0. Однако понятие отрицательная температура применимо только к квантовым системам, обладающим конечным числом уровней.

В термодинамике абсолютная температура «Т» определяется через обратную величину «1/Т», равную производной энтропии (См. Энтропия) S по средней энергии системы при постоянстве остальных параметров х:

. (2)

Из (2) следует, что отрицательная температура означает убывание энтропии с ростом средней энергии. Однако отрицательная температура вводится для описания неравновесных состояний, к которым применение законов равновесной термодинамики носит условный характер.

Пример системы с отрицательной температурой -- система ядерных Спинов в кристалле, находящемся в магнитном поле, очень слабо взаимодействующих с тепловыми колебаниями кристаллической решётки, то есть практически изолированной от теплового движения. Время установления теплового равновесия спинов с решёткой измеряется десятками минут. В течение этого времени система ядерных спинов может находиться в состоянии с отрицательной температурой, в которое она перешла под внешним воздействием.

В более узком смысле отрицательная температура -- характеристика степени инверсии населённостей двух выбранных уровней энергии квантовой системы. В случае термодинамического равновесия населённости N₁ и N₂ уровней E₁ и E₂ (E₁ < E₂), т. е. средние числа частиц в этих состояниях связаны формулой Больцмана:

, (3)

где Т -- абсолютная температура вещества. Из (3) следует, что N₂ < N₁. Если нарушить равновесие системы, например воздействовать на систему монохроматическим электромагнитным излучением, частота которого близка к частоте перехода между уровнями: щ₂₁ = (E₂ -- E₁)/h и отличается от частот других переходов, то можно получить состояние, при котором населённость верхнего уровня выше нижнего N₂ > N₁. Если условно применить формулу Больцмана к случаю такого неравновесного состояния, то по отношению к паре энергетических уровней E₁ и E₂ можно ввести отрицательную температуру по формуле:

. (4)

Несмотря на формальный характер этого определения, оно оказывается в ряде случаев удобным, например позволяет описывать флуктуации в равновесных и неравновесных системах с О. т. аналогичными формулами. Понятием отрицательной температуры пользуются в квантовой электронике для удобства описания процессов усиления и генерации в средах с инверсией населённости.

Кратко о квантовой электронике с точки зрения использовании эффекта вынужденного излучения при описании льдообразования ^[26]

Область физики, изучающая методы усиления и генерации электромагнитных колебаний, основанные на использовании эффекта вынужденного излучения также свойства квантовых усилителей и генераторов и их применения. Практический интерес к квантовым генераторам света (Лазерам) обусловлен прежде всего тем, что они, в отличие от др. источников света, излучают световые волны с очень высокой направленностью и высокой монохроматичностью. Квантовые генераторы радиоволн отличаются от др. радиоустройств высокой стабильностью частоты генерируемых колебаний, а квантовые усилители радиоволн -- предельно низким уровнем Шумов. Физические основы квантовой электроники. Свет и радиоволны являются электромагнитным излучением, порции которого кванты (или Фотоны) могут испускаться атомами, молекулами и др. квантовыми системами, обладающими некоторой избыточной внутренней энергией (возбуждёнными частицами). Внутренняя энергия атома (или молекулы) может принимать только лишь некоторые строго определённые дискретные значения, называемые уровнями энергии. Уменьшение внутренней энергии означает переход атома с более высокого уровня энергии на более низкий. Если при этом избыток энергии отдаётся в виде кванта излучения, то частота излучаемых волн н определяется условием Бора:

н = (1),

где h = 6,62?10-²⁷ эргЧсек -- Планка постоянная. Аналогично увеличение внутренней энергии атома означает его переход с нижнего уровня E₁ на верхний E₂. Если это увеличение связано с поглощением кванта излучения, то частота поглощаемого излучения определяется тем же условием (1). Т. о., условие (1) определяет частоту спектральной линии поглощения или излучения, характерную для данных частиц. Взаимодействие частиц с окружающими их частицами и полями, а также «краткость их жизни на уровне» приводят к «размытию» уровней энергии. В результате условие (1) выполняется не для одного фиксированного значения частоты н, а для интервала значений частот, при этом спектральные линии приобретают ширину.

Возбуждённые частицы могут отдавать свою энергию в виде квантов излучения двумя способами. Возбуждённые частицы неустойчивы, и для каждой из них существует определённая вероятность самопроизвольно (спонтанно) испустить квант излучения. Акты спонтанного испускания происходят случайно Поэтому спонтанное излучение носит хаотический характер. Фотоны испускаются различными частицами в различные моменты времени, имеют разную частоту, поляризацию и направление распространения. Интенсивность спонтанного излучения пропорциональна кубу частоты и поэтому резко падает при переходе от световых волн к радиоволнам. Все нелазерные Источники света (лампы накаливания, газоразрядные лампы и т.п.) излучают свет в результате актов спонтанного излучения. В радиодиапазоне такой же характер имеют шумы электронных устройств и тепловое радиоизлучение нагретых тел.

Возбуждённые частицы могут испускать фотоны, переходя с верхнего уровня энергии E₂ на нижний уровень E₁ не только самопроизвольно, но и под воздействием внешнего излучения (вынужденно), если частота этого внешнего излучения удовлетворяет условию (1). Вероятность вынужденного испускания, предсказанного А. Эйнштейном (1917), пропорциональна интенсивности вынуждающего излучения и может превосходить вероятность спонтанного процесса. Т. о., в процесс вынужденного испускания вовлечены два кванта излучения: первичный, вынуждающий, и вторичный, испущенный возбуждённым атомом. Существенно, что вторичные кванты неотличимы от первичных. Они обладают в точности такой же частотой, фазой, поляризацией и направлением распространения. На эту особенность вынужденного излучения, имеющую основополагающее значение для К. э., впервые указал П. Дирак (1927). Тождественные кванты формируют электромагнитную волну, являющуюся точной усиленной копией исходного излучения. С ростом числа актов вынужденного испускания в 1 сек интенсивность волны возрастает, а её частота, фаза, поляризация и направление распространения остаются неизменными. Происходит когерентное усиление электромагнитного излучения.

Для одной частицы вынужденные переходы с верхнего уровня E₂ энергии на нижний E₁ и с нижнего на верхний одинаково вероятны. Поэтому когерентное усиление волны возможно только при превышении числа возбуждённых частиц над невозбуждёнными. В условиях равновесия термодинамического число возбуждённых частиц меньше числа невозбуждённых, т. е. верхние уровни энергии населены частицами меньше, чем нижние, в соответствии с распределением Больцмана частиц по уровням энергии. При взаимодействии излучения с таким веществом произойдёт поглощение излучения.

Чтобы получить эффект усиления, необходимо принимать специальные меры для того, чтобы число возбуждённых частиц превышало число невозбуждённых. Состояние вещества, при котором хотя бы для двух уровней энергии частиц верхний уровень оказался более населённым, чем нижний, называется состоянием с инверсией населённостей. Такое вещество в К. э. называется активным (активной средой). В К. э. используется вынужденное излучение в активной среде для усиления (квантовый усилитель) и генерации (квантовый генератор) электромагнитных волн. Необходимая для генерации Обратная связь осуществляется помещением активной среды в Объёмный резонатор, в котором могут возбуждаться стоячие электромагнитные волны. В какой-то точке резонатора неизбежно происходит спонтанный переход частицы активной среды с верхнего уровня на нижний, т. е. самопроизвольно испускается фотон. Если резонатор настроен на частоту этого фотона, то фотон не выходит из резонатора, а, многократно отражаясь от его стенок, порождает множество себе подобных фотонов, которые, в свою очередь, воздействуют на активное вещество, вызывая всё новые акты вынужденного испускания таких же фотонов (обратная связь), В результате такого «размножения» фотонов в резонаторе накапливается электромагнитная энергия, часть которой выводится наружу с помощью специальных устройств (например, полупрозрачного зеркала для световых волн). Если в какой-то момент мощность вынужденного излучения превышает мощность потерь энергии на нагрев стенок резонатора, рассеяние излучения и т.п., а также на полезное излучение во внешнее пространство (т. е. если выполнены условия самовозбуждения), то в резонаторе возникают незатухающие колебания, т. е. возбуждается генерация.

В силу свойств вынужденного излучения эти колебания монохроматичны. Все частицы активного вещества работают синфазно. Их заставляет работать синфазно обратная связь. Значение частоты такого генератора с высокой степенью точности совпадает с частотой излучения возбуждённых частиц, хотя оно существенно зависит также от расстройки частоты резонатора относительно частоты излучения частиц. Интенсивность генерации определяется числом возбуждаемых частиц в сек в каждом см³ активной среды. Если число таких частиц Л, то максимально возможная мощность Р непрерывного излучения в см³ среды составляет:

P = Лhн (2)

Исторический очерк. Несмотря на то что положения Эйнштейна и Дирака о вынужденном излучении формировались применительно к оптике, развитие квантовой электроники началось в радиофизике. В условиях термодинамического равновесия оптические (верхние) уровни энергии практически не заселены, возбуждённых частиц в веществе очень мало и на нижние уровни энергии они переходят спонтанно, так как при малых плотностях световой энергии спонтанные переходы более вероятны, чем вынужденные. Поэтому, хотя понятие монохроматичности возникло в оптике, именно в оптике отсутствовали строго гармонические колебания и волны, т. е. колебания с постоянными амплитудой, частотой и фазой. В радиофизике, наоборот, вскоре после создания первых искровых радиопередатчиков развивается техника получения гармонических колебаний, создаваемых генераторами с колебательными контурами и регулируемой положительной обратной связью. Немонохроматичность излучений оптического диапазона и отсутствие в оптике методов и концепций, хорошо развитых в радиофизике, в частности понятия обратной связи, послужили причиной того, что Мазеры появились раньше лазеров.

В 1-й половине 20 в. Радиофизика и Оптика развивались разными путями. В оптике развивались квантовые представления, в радиофизике -- волновые. Общность радиофизики и оптики, обусловленная общностью квантовой природы электромагнитных волновых процессов, не проявлялась до тех пор, пока не возникла Радиоспектроскопия, изучающая спектры молекул, атомов, ионов, попадающие в диапазон СВЧ (10¹⁰--10¹¹ гц). Важной особенностью радиоспектроскопических исследований (в отличие от оптических) было использование источников монохроматического излучения. Это привело к гораздо более высокой чувствительности, разрешающей способности и точности радиоспектроскопов по сравнению с оптическими спектроскопами. Не менее важным явилось и то обстоятельство, что в радиодиапазоне, в отличие от оптического диапазона, возбуждённые уровни в условиях термодинамического равновесия сильно населены, а спонтанное излучение гораздо слабее. В результате вынужденное излучение непосредственно сказывается на величине наблюдаемого резонансного поглощения радиоволн исследуемым веществом. Причиной заселения возбуждённых уровней является тепловое движение частиц. При комнатных температурах тепловому движению соответствует энергия Квантовая электроника 4Ч10-¹⁴ эрг. Для видимого света с длиной волны л = 0,5 мкм частота колебаний н = 6Ч10¹⁴ гц, а энергия кванта hн = 1Ч10-¹² эрг. Для радиоизлучения с длиной волны л = 0,5 см частота колебаний н = 6Ч10¹⁰ гц, энергия квантов hн = 4Ч10-¹⁶ эрг. Следовательно, тепловое движение может сильно населять возбуждённые радиоуровни и не может населять возбуждённые оптические уровни.

Перечисленные факторы привели к тому, что радиоспектроскопия стала базой работ по К. э. В СССР работы по радиоспектроскопии газов были начаты в лаборатории колебаний Физического института АН СССР (А. М. Прохоров), где наряду с решением чисто спектроскопических задач исследования шли также и в направлении использования спектральных линий СВЧ для создания стандартов частоты. Точность стандарта частоты, основанного на измерении положения резонансной линии поглощения, зависит от ширины спектральной линии. Чем ужем линия, тем выше точность. Наиболее узкими линиями обладают газы, так как в газах частицы слабо взаимодействуют друг с другом. Вместе с тем тепловое хаотическое движение частиц газа вызывает в силу Доплера эффекта так называемое доплеровское уширение спектральных линий. Эффективным методом устранения влияния этого уширения является переход от хаотического движения к упорядоченному движению, например переход от газов к молекулярным пучкам. Но в этом случае возможности радиоспектроскопа сильно ограничены малой интенсивностью резонансных линий. В пучке мало частиц и, следовательно, разница в числе возбуждённых и невозбуждённых частиц незначительна. На этом этапе работы возникла мысль о том, что, искусственно изменив соотношение между числом возбуждённых и невозбуждённых частиц, можно существенно повысить чувствительность радиоспектроскопа. Более того, создав инверсию населённостей в пучке, вместо поглощения радиоволн можно получить их усиление. Если же некоторая система усиливает радиоизлучение, то при соответствующей обратной связи она может генерировать это излучение. В радиофизике теория генерирования была хорошо разработана. Существенными элементами радиотехнических генераторов являются колебательные контуры. В области СВЧ роль контуров играют объёмные резонаторы, особенно удобные для работы и с пучками частиц. Т. о., именно в радиофизике существовали все необходимые элементы и предпосылки для создания первого квантового генератора. В первом приборе К. э. -- молекулярном генераторе, созданном в 1955 одновременно в СССР (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров) и в США (Дж. Гордон, Г. Зейгер, Ч. Таунс), активной средой являлся пучок молекул аммиака NH₃. Для создания инверсии населённостей применялся метод электростатической пространственной сортировки. Из пучка молекул MH₃ выбирались более возбуждённые молекулы и отбрасывались в сторону молекулы, обладавшие меньшей энергией. Отсортированный пучок пропускался через объёмный резонатор, в котором при выполнении условий самовозбуждения возникала генерация. Частота генератора с высокой степенью точности совпадала с частотой излучения возбуждённых молекул NH₃ и поэтому была чрезвычайно стабильна. Относительная стабильность частоты составляет 10-¹¹--10-¹². Появление молекулярных генераторов открыло новые возможности в создании сверхточных часов и точных навигационных систем. Их погрешность Квантовая электроника1 сек за 300 000 лет. Аналогичные по принципу действия, созданные позднее водородные генераторы имеют ещё большую стабильность частоты 10-¹³.

То обстоятельство, что квантовая электроника родилась в радиодиапазоне, объясняет возникновение термина «квантовая радиофизика», иногда используемого вместо термина «квантовая электроника», который имеет более общий смысл, охватывая и оптический диапазон.

Получение инверсии населённостей путём отбора возбуждённых частиц не всегда возможно, в частности это невозможно в твёрдых телах. Кроме того, на высоких оптических уровнях при не слишком высоких температурах возбуждённых частиц практически нет. Поэтому уже в 1955 был предложен новый метод создания инверсии населённостей (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров), в котором возбуждённые частицы не отбираются из имеющегося количества, а создаются. Этот метод, известный под названием метода трёх уровней, состоит в том, что на частицы, в энергетическом спектре которых есть три уровня E₁, E₂, E₃, воздействуют мощным вспомогательным излучением (накачка), которое, поглощаясь частицами, «перекачивает» их с уровня E₁ на уровень E₃ Накачка должна быть достаточно интенсивной, тогда на верхний уровень E₃ с нижнего E₁ перебрасывается столько частиц, что их количество может стать практически одинаковым. При этом на уровне E₂ может оказаться больше частиц, чем на уровне E₁ (либо на уровне E₃ больше, чем на уровне E₂), т. е. для уровней E₂, E₁ (или E₃ и E₂) будет иметь место инверсия населённостей. Частота н_H излучения накачки соответствует резонансным условиям поглощения, т. е.