Энергетический потенциал воды

Вода!.. Что ты такое? Ты – сама жизнь.

Ты самое большое богатство в мире.

А. Сент-Экзюпери.

вода энергетический молекулярный реактор

Обычная и привычная для нас вода благодаря уникальности строения, структуры, свойств и энергетики имеет исключительное значение в природе и жизни человечества, в т. ч. как драгоценное сырье, средство и способ получения экологически чистой альтернативной энергии. Широкое задействование энергетического потенциала воды – важный и надежный путь решения современной энергетической проблемы.

Вода – универсальное энергетическое вещество.

1. Водный поток – источник неисчерпаемой механической энергии за счет гравитационного поля земли, используется в судоходстве и сплаве, вращает гидродвигатели: водяные и водоподъемные колеса, мощные гидроагрегаты на современных ГЭС и ГАЭС.

2. Вода – теплоноситель, преобразователь и передатчик тепловой энергии в системах отопления, горячего водоснабжения, в водяных реакторах АЭС, ТЭС, ТЭЦ, паровых машинах и турбинах, солнечных печах и др. установках.

3. Вода – сырье водородной энергетики при получении из нее в электролизерах и плазмотронах газа Н₂ – топлива высокой теплоты сгорания, а также горючего водяного газа (смеси Н₂ и СО), получаемого газификацией твердого топлива.

4. Вода – средство получения тепловой энергии путем ее отбора из внешней водоемной среды тепловыми насосами, производимыми в т.ч. Мелитопольским заводом холодильного машиностроения (см. г-ту "Наш город", №14 от 02.04.09 г.).

5. Вода – важный способ получения тепловой энергии при применении гидротепловых установок разных конструкций.

5.1. Гидродинамические водонагреватели – установки, работающие на принципе кавитации воды, нагнетаемой электронасосом, применяются для объектов обогрева Белгородского района (см. г-ту "СТ", №10 от 05.02.00 г.).

5.2. Установки с устройством "тепловая труба". Их действие основано на принципе раскручивания воды по спирали со скоростью более 3 тыс. об/мин. при ее подаче электронасосом из чана через "тепловую трубу". При возвращении воды в чан выделяется тепловой энергии значительно больше, чем затрачено электроэнергии (см. г-ту "Факты" №98 от 06.06.07 г.).

5.3. Гидрометр УГД-90. Данные экологичные и удобные гидротепловые установки серийно выпускаются на Донецком заводе Гидротрансмаш и успешно применяются в системах отопления школ (см. г-ту "АВ" от 02.04.09 г.).

Почему вода – источник энергии? Это связано с необычным строением молекул воды, уникальностью ее свойств и структуры. Сразу уясним, что соединение с формулой Н₂О – гидрид кислорода – не вода, а мономер ее ассоциированных молекул. Молекулярное вещество Н₂О с разъединенными молекулами в виде газа (пара) бывает только при температуре более 100°С и при этом имеет малую плотность насыщенного пара ρ = 0,6 кг/м³. а вся жидкая вода гидросферы и влага атмосферы состоит из ассоциированных молекул состава (Н₂О)₆, хотя и с примесью молекул Н₂О, около 1 % (по Д. Стивенсону).

Когда образуются молекулы гидрида кислорода Н₂О при sp³-гибридизации, то атомные орбитали О и Н перестраиваются в 4 одинаковые по форме и энергии гибридные молекулярные орбитали: 2 валентные с обобщенными парными электронами от О и Н и 2 несвязующие с неподеленными парными электронами. Уникальность же молекул Н₂О в том, что на вершинах валентных орбиталей протоны (ядра Н) слабо прикрыты электронным облаком и в результате там создаются 2 эффективные заряды по +0,33 э.з. (элементарного заряда), а на вершинах несвязующих орбиталей создается повышенная электронная плотность и возникают 2 эффективные отрицательные заряды по - 0,33 э.з. (см. рис.1). Именно парность положительных и отрицательных зарядов, равность их по модулю и сравнительно большая величина зарядовых полюсов на вершинах 4 орбиталей молекул Н₂О приводит к образованию из них ассоциированных молекул состава (Н₂О)₆ с относительной молекулярной массой m_r = 108 а.е.м. Процесс ассоциации (соединения) мономеров Н₂О в молекулы ассоциата (Н₂О)₆ происходят легко и быстро путем циклизации их при электростатическом взаимодействии парами орбиталей с противоположными зарядами.

Образовавшиеся молекулы ассоциата (Н₂О)₆ имеют плоскоциклическую шестиугольную форму. В вершинах ее 6 углов находятся ядра атомов О с отцентровым отхождением от них по 2 орбитали (6 пар) незадействованных связями в молекулах ассоциата (см. рис. 2). Каждый мономер Н₂О в циклической молекуле (Н₂О)₆ имеет водородную связь и связь ван-дер-ваальсовыми силами с 2 соседними, что удваивает их внутримолекулярную энергию (см. энергетику (Н₂О)₆).

Мономеры Н₂О в составе ассоциата (Н₂О)₆ сохраняют свою индивидуальность, поэтому молекулы ассоциата могут распадаться на мономеры при взаимодействии на них внешней энергии, превышающей прочность внутримолекулярных связей. При разрыве связей молекулы Н₂О уносят с собой кинетическую (тепловую) энергию, которую они отдадут в среду, где будет процесс их новой ассоциации.

Молекулы ассоциированной жидкой воды, имея 6 пар свободных орбиталей с зарядами на вершинах, соединяются между собой электростатическим взаимодействием с образованием структурированной плотной монослойной пленки толщиной в одну молекулу горизонтально к поверхности земли, располагаясь слой за слоем с плотным прилеганием друг к другу. Если вода охлаждается ниже 0 °С происходит уже твердая монослойная кристаллизация по вертикали со сдвигом монослоев до совмещения всех орбиталей молекул ассоциата. При этом каждый присоединяющийся снизу монослой отодвигается от верхнего на 0,5 нм с образованием щелей между ними и увеличением объема затвердевшей (замерзшей) воды до плотности ρ_л = 917 кг/м³.

Эта фаза твердой кристаллизации происходит между сблизившимися орбиталями только за счет 2-х составляющих ван-дер-ваальсовых сил с образованием связи с энергией Е_мм = 6,53 кДж/моль. Вся расчетная энергия связи от образования молекул ассоциата (Н₂О)₆ до замерзания жидкой воды при 0 °С составляет Е_сб = 306,03 кДж/моль, что точно соответствует справочной удельной теплоте испарения (сублимации) льда Е_сб = 2833 кДж/кг. Это, кстати, подтверждает 6-мономерный состав молекулы ассоциата и ее относительную молекулярную массу m_r = 108 а.е.м.

Ассоциированные молекулы воды кроме молекулярных и структурных связей, обладая массой, намагниченностью, полярностью и поляризуемостью, имеют еще энергетическую связь с Землей (на ее поверхности) силами агрегации (связывания), порождаемыми земными силовыми полями с напряженностями: гравитационной G = 9,8 м/с², магнитной Н = 56 А/м и электрической Е = 130 В/м, которые и являютсяносителями энергии воздействий на молекулы ассоциата Е_аr = 3,17 кДж/моль.

Именно земные силовые поля являются внешним источником дополнительной энергии, получаемой при работе гидротепловых установок. В них движущая вода с увеличенной скоростью, вращающаяся, подверженная кавитации, испытывает воздействие энергии силовых полей, что приводит к разрушению части из них на мономеры Н₂О, которым и передается эта энергия. Эти мономеры при возвращении воды в резервуар с потерей скорости снова ассоциируются с выделением в воду весьма существенной дополнительной энергии. При 20 °С это составит Е_ас = 265,2 кДж/моль (моль равен 0,108 кг), т.е. энергию 0,108 кг ассоциировавшихся молекул Н₂О.

При условии оборудования всех коммунальных хозяйств достаточными мощностями теплонасосных и гидротепловых установок возможно обеспечение всех потребностей страны в отоплении и горячем водоснабжении коммунальных, жилых и хозяйственных объектов, не используя дорогостоящих энергоносителей, расходуя лишь незначительное количество недорогой электроэнергии для работы данных установок.