Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ACTIVATION PARAMETERS OF VISCOUS FLOW OF WATER, HEAVY WATER AND EXTRA HEAVY TRITIATED WATER

Masimov E.A. 1 Pashayev B.G. 1 Gasanov G.S. 1 Gasanov N.G. 1
1 Baku State University
2585 KB

In this paper, we have investigated the characteristics of water (H2O), heavy water (D2O) and extra heavy tritiated water (T2O) and made theoretical calculations of activation parameters of Gibbs energy of viscous flow (mas16.wmf), enthalpy of viscous flow (mas17.wmf) and activation parameters of entropy of viscous flow (mas18.wmf) at normal atmospheric pressure and in the temperature range 273,15–373,15 K. These calculations were made for different values of the dynamic viscosity and density. It has been found that when increasing the temperature the values of Gibbs free energy mas19.wmf, enthalpy mas20.wmf and entropy mas21.wmf are tend to reduce, however, at any chosen temperature the following relationship between those parameters were observed mas22.wmf > mas23.wmf > mas24.wmf, mas25.wmf > mas26.wmf > mas27.wmf, mas28.wmf > mas29.wmf > mas30.wmf. This allows to come to the following conclusion that at the given temperature heavy water becomes more structured in comparison with conventional water, and tritiated water becomes more structured in comparison with heavy water.

water
heavy water
extra heavy tritiated water
viscosity
activation parameters of viscous flow

Вода, используемая живыми организмами, а также человеком – это обычная вода (H2O). Тяжелая (D2O) и сверхтяжелая (T2O) воды вредны для живых организмов. Тяжелая вода замедляет биологические процессы и губительно действует на живую клетку. Различие в физико-химических свойствах различных вод, по-видимому, связано с их структурой.

Целью данной работы является сравнение структуры этих вод (H2O, D2O, T2O). С этой целью на основе данных (таблица [2, 5, 6, 7, 8, 10]) динамической вязкости и плотности обычной (H2O), тяжелой (D2O), и сверхтяжелой (T2O) воды в интервале температур 273,15–373,15 K определены энергия активации Гиббса вязкого течения (mas31.wmf), энергия активации энтальпии вязкого течения (mas32.wmf), энергия активации энтропии вязкого течения (mas33.wmf), и на основе сравнения этих параметров при данной температуре проанализированы структурные особенности каждой воды.

Материалы и методы исследования

Объекты исследования. Объектами исследования являлись вода (H2O), тяжелая вода (D2O) и сверхтяжелая вода (T2O) при различных температурах.

Температурная зависимость динамической вязкости и плотности обычной (H2O), тяжелой (D2O), и сверхтяжелой (T2O) воды в интервале температур 273,15 – 373,15 K дана в таблице [2, 5, 6, 7, 8, 10].

Из таблицы [2, 5, 6, 7, 8, 10] видно, что при данной температуре значения динамической вязкости и плотности тяжелой воды (D2O) больше обычной (H2O), а сверхтяжелой воды (T2O) больше тяжелой (D2O).

Результаты исследования и их обсуждение

Активационные параметры вязкого течения (mas34.wmf, mas35.wmf, mas36.wmf) вычислены следующим образом:

а) вычисление энергии активации Гиббса (mas37.wmf) вязкого течения.

Динамическая вязкость и плотность при разных температурах и при нормальном атмосферном давлении для обычной воды (H2O), тяжелой воды (D2O) и сверхтяжелой воды (T2O)

T, K

η, мПа∙с

ρ, кг/м3

H2O

D2O

T2O

H2O

D2O

T2O

273,15

1,7921

2,4000

2,770

999,843

1104,62

1212,5

278,15

1,5193

1,9880

2,270

999,967

1105,58

1214,2

283,15

1,3073

1,6790

1,900

999,703

1105,95

1214,8

288,15

1,1383

1,4400

1,620

999,103

1105,83

1215,0

293,15

1,0020

1,2510

1,400

998,207

1105,34

1214,6

298,15

0,8902

1,1000

1,220

997,048

1104,48

1213,7

303,15

0,7973

0,9759

1,080

995,650

1103,27

1212,5

308,15

0,7191

0,8733

0,957

994,035

1101,69

1210,9

313,15

0,6527

0,7872

0,859

992,219

1099,99

1209,0

318,15

0,5961

0,7143

0,776

990,216

1097,94

1206,8

323,15

0,5471

0,6519

0,706

988,039

1095,65

1204,4

328,15

0,5044

0,5981

0,645

985,698

1093,14

1201,8

333,15

0,4670

0,5513

0,592

983,202

1090,51

1198,8

338,15

0,4339

0,5104

0,547

980,558

1087,67

1195,5

343,15

0,4046

0,4744

0,506

977,773

1084,72

1192,3

348,15

0,3785

0,4425

0,471

974,852

1081,43

1188,7

353,15

0,3551

0,4141

0,440

971,801

1078,17

1185,1

358,15

0,3341

0,3887

0,412

968,623

1074,69

1181,4

363,15

0,3150

0,3658

0,386

965,322

1071,01

1177,4

368,15

0,2978

0,3452

0,364

961,902

1067,24

1173,2

373,15

0,2821

0,3266

0,343

958,365

1063,38

1169,0

На основе теории Эйринга [1] динамическая вязкость (η) определяется следующим образом:

mas38.wmf, (1)

где

mas39.wmf. (2)

В выражениях (1) и (2) ρ – плотность жидкости, R – универсальная газовая постоянная, NA – число Авогадро, h – постоянная Планка, M – молярная масса жидкости. По экспериментально определенным зависимостям η и ρ от температуры, используя выражение

mas40.wmf, (3)

находили температурную зависимость свободной энергии Гиббса;

б) вычисление энтальпии активации (mas41.wmf) вязкого течения.

Учитывая выражение (3) в термодинамическом соотношении

mas42.wmf, (4)

получим [4]

mas43.wmf. (5)

Отметим, что параметры mas44.wmfmas45.wmf также зависят от температуры. Однако для бесконечно малого температурного интервала эти параметры можно считать постоянными и, взяв частную производную по mas46.wmf с обеих сторон выражения (5), получим

mas47.wmf. (6)

Частное производное mas48.wmf, входящее в уравнение (6), это число. Для нахождения значения этого числа при разных температурах строится зависимость mas49.wmf от mas50.wmf. Затем полученная кривая описывается функцией вида:

mas51.wmf. (7)

Здесь а0, а1, а2 и а3 – независимые от температуры параметры, и их значения определяются методом математической оптимизации. С учетом (7) в выражении (6), получим выражение для определения температурной зависимости mas52.wmf:

mas53.wmf; (8)

в) вычисление энтропии активации (mas54.wmf) вязкого течения.

После нахождения температурных зависимостей mas55.wmf и mas56.wmf из формулы (4) находится выражение для определения температурной зависимости энтропии активации вязкого течения [4]:

mas57.wmf. (9)

Отметим, что активационные параметры, характеризующие процесс вязкого течения представляют собой разность соответствующих термодинамических параметров активного (Ga, Ha, Sa) и начального (Gн, Hн, Sн) состояний молекул одного моля жидкости [9]:

mas58.wmf. (10)

Следует отметить, что энергия активации Гиббса (mas59.wmf) вязкого течения – это энергия, требуемая для перехода 1 моля молекул жидкости из начального состояния в текучее состояние при данных давлении и температуре. Энтальпия активации (mas60.wmf) вязкого течения является энергетической характеристикой изменений в растворе [3, 9]. Так, увеличение значения mas61.wmf означает переход системы в более структурированное состояние. Энтропия активации вязкого течения (mas62.wmf) характеризует структурные изменения, происходящие в жидкости. Чем больше структурированной будет начальное состояние жидкости, тем меньше станет энтропия начального состояния (Sн) и тем больше будет ее изменение (Sа – Sн) при течении и наоборот. Следовательно, для рассматриваемой системы большему значению mas63.wmf соответствует более структурированное состояние системы [9].

Температурные зависимости активационных параметров вязкого течения (mas64.wmf, mas65.wmf, mas66.wmf) для обычной (H2O), тяжелой (D2O) и сверхтяжелой (T2O) воды представлены на рисунке.

masimov1.wmf

Температурная зависимость свободной энергии Гиббса (а), энтальпии (б) и энтропии (в) активации вязкого течения. 1 – H2O, 2 – D2O, 3 – T2O

Как видно из рисунков, параметры mas67.wmf, mas68.wmf и mas69.wmf с увеличением температуры уменьшаются. При этом для произвольной температуры справедливо нижеследующее:

mas70.wmf

mas71.wmf

mas72.wmf.

Эти соотношения позволяют сделать вывод о том, что при данной температуре тяжелая вода относительно обычной, а сверхтяжелая вода относительно тяжелой является более структурированной.