Лёд с точки зрения физики
Конечно все читатели знают, что лёд — это всего лишь вода в твёрдом состоянии, т.е. вода, которая при определенных термодинамических условиях, а именно значений (p — давление, V — объем, T — температура), имеет твёрдую кристаллическую решетку.
Однако, уже в этом простом определении описан только частный случай. Не только из воды можно получить лёд. Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.
В настоящее время известны три аморфных разновидности и 17 кристаллических модификаций льда. Фазовая диаграмма на рисунке показывает, при каких температурах и давлениях существуют некоторые из этих модификаций
В природных условиях Земли вода образует кристаллы одной кристаллической модификации — гексагональной сингонии (лёд Ih). Во льду Ih каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2,76 Å и размещённых в вершинах правильного тетраэдра.
В кристаллографии гексагональная сингония — одна из семи сингоний. Её элементарная ячейка строится на трёх базовых векторах (трансляциях), два из которых равны по длине и образуют угол 120°, а третий им перпендикулярен и отличается от них по длине.
Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, меньше плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %. Лёд, будучи легче жидкой воды, образуется на поверхности водоёмов, что препятствует дальнейшему замерзанию воды.
Интересные парадоксы воды
Одно из немногих исключений прямой зависимости температуры и объема — вода. При охлаждении теплой воды ее объем уменьшается. Это уменьшение продолжается, пока температура не понизится приблизительно до 4°С. При такой температуре вода достигает максимальной плотности и, следовательно, наименьшего объема. При дальнейшем охлаждении воды ниже 4°С она начинает расширяться. Данное расширение продолжается, пока температура не понизится до тройной точки (О °С). При температуре тройной точки жидкая вода начинает изменять состояние на твердое и продолжает расширяться. По завершении изменения состояния 0,0283 м³ воды преобразуется в 0,0307 м³ льда. Такое увеличение объема производит огромную силу, которая может взорвать трубы и другие контейнеры и разрушить суда, пирс и другие объекты, которые находятся в воде.
Хотя кажется, что расширение воды противоречит отношениям температуры и объема, как описано выше, это не так. Среднее расстояние между охлаждающимися молекулами продолжает уменьшаться при снижении температуры, так как кинетическая энергия уменьшается, как и ожидалось. Но происходит физическое, а не тепловое расширение, так как молекулы воды образуют кристаллическую структуру. Когда атомы водорода и кислорода образуют связи, они разделяются на пары, причем одна сторона молекулы воды получает немного более высокий положительный заряд, чем другая. В результате молекулы действуют как треугольные магниты, у которых одна сторона электростатически отрицательная, а другая — положительная.
В жидком состоянии эти электростатические полюса притягивают заряженную сторону смежных молекул и жидкость немного сжимается. Когда жидкость начинает изменять состояние на твердое, молекулы перестраиваются, образуя кристаллическую структуру с более низкой энтропией. Твердая структура нарушает электростатическое притяжение между молекулами, так как связывает их. Расстояние между молекулами в кристаллической структуре немного больше, чем в жидком состоянии, объем воды увеличивается при изменении состояния на твердое. Если бы не эта структура, объем воды был бы больше, чем объем равной массы льда, как у других веществ.
Высокая удельная теплота плавления льда, равная 330 кДж/кг, (для сравнения — удельная теплотa плавления железа равна 270 кДж/кг), служит важным фактором в обороте тепла на Земле. Так, чтобы растопить 1 кг льда или снега, нужно столько же тепла, сколько требуется, чтобы нагреть литр воды на 80 °C.
Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.
Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды (см. зонная плавка). Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда.
Общие запасы льда на Земле около 30 млн км³. Основные запасы льда на Земле сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).
Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе. Различают однолетние и многолетние льды. Морской лёд может быть неподвижным, если связан с сушей, или плавучим, то есть дрейфующим. В океане встречаются льды, отколовшиеся от ледников суши и спустившиеся в океан в результате абляции — айсберги.
Использование льда в технике
Ледяная гидросмесь. В конце 1980-х годов американская лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (ice slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5—7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10—15 до 30—45 минут.
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ — иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец. Использование льда для постройки искусственных островов описывается в фантастическом романе «Ледяной остров».
Хирурги наполнят тела пациентов текущим льдом
Время. Вот чего порой не хватает медикам, чтобы спасти жизнь пациента, пострадавшего от сильной травмы или сердечного приступа. Нескольких дополнительных часов, а то и минут, порой достаточно, чтобы успешно завершить пересадку органа или иную важную операцию. Но откуда взять эти «лишние» минуты? Американцы тестируют необычную технологию — они научились саму кровь превращать в подвижный лёд.
Десятилетия врачи используют защитную силу гипотермии. Сильно охлаждённый организм или отдельные органы до минимума сокращают потребление кислорода (что важно при остановке сердца), в них замедляется разрушение клеток. Но вот большой вопрос — как именно охлаждать живые ткани?
Сейчас на вооружении медиков находятся ледяные ванны и охлаждающие жакеты, ледяные одеяла и просто резиновые «грелки» со льдом внутри (слово «грелка» при таком применении данного предмета само просится в кавычки). Все они выполняют поставленную задачу, но вот темп охлаждения оказывается очень низким (имеется в виду температура в глубине, а не на поверхности тела). И потому в критических случаях внешнее охлаждение не столь уж и сильно продлевает агонию страдающих от обескровливания и гипоксии органов.
Куда лучше в этом плане выглядит внутреннее охлаждение, хотя проводить его сложнее. Сейчас с этой целью применяют холодный солевой раствор, подаваемый в кровоток в нужных местах. Но, увы, и этот способ не лишён недостатков. В силу характеристик физраствора его не получится охладить слишком сильно, а главное, тепло, которое он способен забрать у тканей, серьёзно ограничено.
Оригинальный выход из этой тупиковой ситуации придумали инженер Кен Коса (Ken Kasza) и его коллеги из американской национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory). Надо просто «затолкать» лёд в сосуды, в полости тела (при операции) и даже в лёгкие пациента — вот он и охладится. Энергия, которую нужно затратить на растапливание льда, — велика, так что интенсивность охлаждения будет гораздо выше, чем при применении холодного физраствора.
Очевидно, просто так проделать подобный трюк можно только с трупом. Чтобы «набить» живого человека льдом по самую макушку, лёд этот должен быть необычным. Он такой и есть, спасибо системам охлаждения зданий.
При чём тут они? Всё просто и сложно одновременно: история экзотической охлаждающей жидкости для человека началась с промышленного проекта!
В конце 1980-х лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной без проблем течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Экзотическая солёная водяная суспензия, придуманная в Аргонне, включала в себя мириады ледяных кристалликов, но не обычных, а специально подготовленных.
Обычные (острые) кристаллы льда (вверху) и частицы Ice Slurry при большом увеличении. Последние сопротивляются «свёртыванию» смеси в теле. Кстати, пропорция микроскопических ледяных шариков и солевого раствора в Ice Slurry составляет 50 на 50 (фото Argonne National Laboratory).
Эти частицы, во-первых, не угловатые и ершистые, как естественные кристаллы водяного льда, а округлые. Фактически — шарики. А во-вторых, они необычайно маленькие — с поперечником, равным диаметру человеческого волоса.
Благодаря обеим особенностям данная жижа сохраняет подвижность воды (шарики скользят друг относительно друга), но с точки зрения теплотехники представляет собой лёд, со всеми вытекающими. В частности, в централизованных системах охлаждения промышленных или офисных комплексов смесь Ice Slurry способна работать в 5-7 раз эффективнее просто холодной воды.
Предполагалось, что такая суспензия будет подготавливаться и храниться ночью в специальной установке, а днём распределяться по трубам среди соседних зданий, обеспечивая их охлаждение.
Вот только распространения этого антипода теплоцентрали так и не случилось. Едва ли не единственным случаем практической реализации системы был некий демонстрационный проект в Японии.
Но зато в 1999 году у Ice Slurry началась вторая жизнь. Кен Коса, директор департамента энергетики лаборатории Аргонн Роджер Пиппел (Roger Poeppel), а также Лэнс Беккер (Lance Becker) и Терри Ванден Хок (Terry Vanden Hoek) из медицинского центра университета Чикаго (University of Chicago Medical Center) создали Центр чрезвычайной реанимации (Emergency Resuscitation Center).
Центр этот объединил инженеров, врачей, биологов и химиков из университета и национальной лаборатории для разработки новых методов спасения пациентов. Особенно — в случае внезапной остановки сердца. И тут-то учёные решили всесторонне изучить и апробировать медицинское применение «гладкой ледяной взвеси», тем более что её микрокристаллы льда прекрасно проходили в довольно мелкие сосуды и не повреждали клетки.
Прежде всего исследователи придумали, как обеспечить быстрое охлаждение мозга человека, пока сердце остановлено и кровотока нет. Ice Slurry необходимо поместить в лёгкие (через трубку, вставленную в трахею) — догадались учёные. Ведь это эффективные теплообменники с развитой поверхностью, через которые проходит вся кровь.
Пока сердце не бьётся, принудительное сжатие грудной клетки заставит кровь, охлаждённую Ice Slurry, течь к головному мозгу. Ну а охлаждённый мозг может намного дольше выжить при кислородном голодании (обычно его клетки начинают гибнуть через 10 минут после остановки кровоснабжения).
Первые опыты на животных показали, что 2-4 литра Ice Slurry, введённые в лёгкие, позволяют охладить головной мозг на 6 и даже несколько больше градусов Цельсия всего за 10 минут, в то время как применение внешнего охлаждения за то же самое время понижает температуру внутренних органов животного (да и человека тоже) всего-то на 0,3 градуса. То есть скорость охлаждения по новой методике оказалась выше обычной в 20-30 раз!
А это уже может стать разницей, означающей спасение чьей-то жизни. При таком способе мозг может оставаться охлаждённым в течение часа, что даёт хирургам достаточно времени для реанимации.
Второй вариант применения смеси — непосредственный ввод её в кровоток. Через внутривенный катетер можно перекачать в сосуды немало Ice Slurry, а она уже сама разойдётся по органам, обеспечивая их охлаждение. Подвид того же метода — запуск жидкого льда в сонную артерию, для быстрой доставки к мозгу.
Третий — это обкладывание смесью отдельного органа при выполнении операции. Причём, поскольку смесь способна течь, её можно доставить к месту действия внутрь тела по тонкой трубочке. А это значит, что операция может быть малотравматической.
Логично спросить: а что с водой, которая получается в результате таяния смеси? Очень просто. Из лёгких излишки воды откачиваются специальным насосом через ту же трубку. А остатки усваиваются тканями. В случае же запуска суспензии Ice Slurry напрямую по кровотоку она также абсорбируется телом без вреда для организма, ведь фактически эта смесь — всего лишь особым образом приготовленный солевой раствор (биосовместимый).
В 2002 году группа учёных из лаборатории Аргонн и университета Чикаго получила четырёхмиллионный грант (на пять лет) от Национального института здравоохранения (National Institutes of Health) на развитие и испытания различных способов применения Ice Slurry в медицине. Необходимо было не только подобрать наилучшие параметры смеси, но и отработать все тонкости операций (режимы охлаждения, например), а также — убедиться в безопасности технологии и отсутствии побочных эффектов.
Ныне же пришла пора подвести итоги этой пятилетней работы. Ice Slurry оказалась настоящим чудом. Множество тестов на животных показали, что «ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10-15 до 30-45 минут.
Мечта авторов проекта: чтобы запасами Ice Slurry оснащались не только госпитали, но и кареты скорой помощи. Если медики получат возможность немедленно вводить суспензию в кровь или лёгкие пострадавшего человека (при аварии на дороге, например), либо пациента, сердце которого остановилось после приступа (а портативные насосы для Ice Slurry находятся в разработке), это будет означать сохранение десятков жизней ежедневно только в одних США.
«Современное медицинское руководство говорит, что если вы хотите сохранить мозг, нужно снизить его температуру на четыре или пять градусов по Цельсию в течение 5-10 минут после остановки сердца, — говорит Коса. — Впервые у нас есть средство достижения необходимой температуры в этот короткий промежуток времени».
Тандем университет Чикаго — лаборатория Аргонн создал недавно институт биоинженерии, перспективной хирургии и эндоскопии (BIASE), в котором Кен и другие наши герои занялись развитием проекта: они испытывают установки по производству Ice Slurry, хирургические инструменты, необходимые для применения смеси (специальные насосы, наконечники), и так далее. А для анализа теплового взаимодействия между ледяной жижей и тканями Кен и его коллеги разработали специальные компьютерные модели.
Учёные намерены отработать ещё массу вопросов, связанных с технологией. Например, при принудительном охлаждении организм начинает усиленно вырабатывать тепло (дрожь помните?), а это расходует энергию, приводит к образованию и накоплению нежелательных продуктов (к примеру, молочной кислоты), снижает эффект от действия раствора.
Получается, что в идеале применение «жижи» должно сопровождаться медикаментозным подавлением холодовой реакции. (Если охлаждать только отдельный орган, подводя раствор к нему, такое подавление может и не потребоваться.)
А ещё медики экспериментируют со смешиванием синтетических заменителей крови, Ice Slurry и кислорода, что в сумме должно дать мощный защитный эффект для органов.
Недавно Коса, ряд его коллег по лаборатории, а также хирурги из университета Чикаго объединились, чтобы продемонстрировать преимущества Ice Slurry в трёх типах операций: лапароскопической хирургии почек, сердечно-сосудистой хирургии и в операциях, которые в противном случае несут высокий риск неврологических повреждений головного мозга и позвоночника.
В ближайший год команда намерена получить разрешение на первые клинические тесты своей технологии. Причём первым «кандидатом» на апробацию на людях будут операции на почках. Поскольку при таких операциях кровоток в почках почти прекращается, охлаждение их с помощью ледяной взвеси даст медикам дополнительное время. Тесты этой технологии на крупных животных дали многообещающие результаты.
Дальше напрашивается военное применение новинки: спасение солдат, пострадавших на поле боя. Ice Slurry значительно увеличит время, в течение которого человек может выжить в ожидании квалифицированной помощи. А ещё данный состав мог бы изменить технологию хранения донорских органов. В общем — перспективы интересные.
В ближайшем будущем Кен надеется найти биомедицинскую компанию (уже идут переговоры), которая оказалась бы заинтересована в коммерциализации «ледяной крови», налаживании её выпуска и производства соответствующего оборудования.
А о давней неудаче с кондиционированием на базе Ice Slurry уже никто и не вспоминает. Хотя, если подумать, может, именно провал того проекта подтолкнул изобретателей необычной суспензии к её альтернативному, медицинскому применению.
Источник
