usnaas dulaan gargah

Уснаас дулаан гаргах асуудалд

           Дэлхийн хүн ам хурдацтай өсч амжиргааны түвшин огцом дээшилж байгаа нь эрдэмтдийг эрчим хүчний шинэ эх үүсвэрийн эрэлд зүй ёсоор түлхэж байна. Хүн төрөлхтөн одоохондоо нефть, шатдаг хий, нүүрс, усан цахилгаан станц, атомын цахилгаан станцаас дулаан, цахилгаан гаргаж хэрэглэж байгаа ба сүүлийн жилүүдэд нар, салхи, газрын гүний эрчим хүчнээс бага зэрэг хишиг хүртэх боллоо. Гэтэл биднийг тойрон эрчим хүчний асар их нөөц оршсоор. Түүний нэг нь ус юм.

        Усны гайхамшигт олон чанараас цөөхнийг цухас дурьдихад :

Ус нь тунгалаг, үнэргүй, багахан хэмжээтэй үедээ өнгөгүй, молекул жин нь – 18.016 гр / моль, химийн томъёо – Н2О, 3.982.С дулаанд хэвийн  даралтанд  / 1ат. / байгаа нэрмэл усны дээд нягт – 1г/см3 байдаг.       Манай дэлхийд ердийн нөхцөлд ус нь хатуу, шингэн, хий гэсэн 3 - н төлөвд оршдог бодис юм.          Ус нь их хэмжээний дулаан шингээх чадвартай. Ингэж шингээхдээ өөрөө маш бага халдаг байна. Энэ гайхамшигтай чанарыг нь ашиглан бид гэр орноо дулаацуулахдаа дулаан зөөгч болгон ашигладаг.        Усанд маш их нуугдмал дулаан агуулагддаг. Мөсийг хайлуулахад 79 кал/г, ууршуулахад 539 кал/г дулааныг шингээнэ. Мөсийг хайлуулахад хувийн дулаан багтаамж нь өсч бараг 2 дахин их болдог. Температур нь өсөх тутам усны дулаан багтаамж буурах ба 40 С хүрмэгцээ дахин өсч эхэлдэг.         100 С температуртай, 1ат даралттай 1 литр уснаас 1600л уур үүсдэг.

       

Усны молекулын Н2О гэдэг томъёог хүн бүхэн мэддэг. 

Зураг 1-д Н2О молекулын бүтцийг харуулав. 

 

         Устөрөгчийн атомуудын хооронд 104,27 хэмийн өнцөг үүсгэсэн энэ бүтэц нь бодит хэрэг дээрээ усны уурын молекулын томъёо юм. Харин шингэн төлөвт орших ус нь   (Н2О)8  ба  (Н2О)6  гэсэн томъёогоор илэрхийлэгддэг молекулуудын  хольцоос бүтдэг.

Зураг  2 – т (Н2О)8  -молекулын торны бүтцийг харуулав.

                                              Зураг  2.

 Зураг  3 – д  (Н2О)6     -молекулын торны бүтцийг харуулав.

                                                

            Зургуудаас харахад устөрөгчийн  бүх холбоо нь хоорондоо битүүрсэн байна. Өөрөөр хэлвэл, молекулууд хоорондоо нэг нь нөгөөтэйгөө ямар нэг холбоогүй байгаа тул тус тусдаа бие даасан байдалд оршдог. Ийм ч учраас ус нь урсамтгай чанарыг эзэмшдэг.  Молекулын торлог энэ бүтэц нь \ молекулын түвшинд \ усыг нэг талаас харахад шингэн, нөгөө талаас нь харахад хатуу кристалл болохыг үзүүлж байна. Үүнийг элстэй зүйрлүүлж болох юм. Элсний нэг ширхэг нь туйлын хатуу биет байх боловч их хэмжээний элс шингэн шиг урсамтгай чанартай болдог. Нуранги элс яг ус шиг байх тул түүнд живэх ч тохиолдол байдаг. Түүхэн баримтаас үзэхэд дэлхийн 2 – р дайны үед германы танкын цуваа ийм урсамтгай элстэй тааралдан живж сураггүй алга болжээ.

          Усны молекулын бүтэц нь хавтгай биш 2 давхрагатай байдаг. Энэ нь устөрөгчийн атом хоорондын өнцөг = 104,27 хэм нь найман өнцөгтөд = 135 хэм, зургаан өнцөгтөд = 120 хэм байдагтай холбоотой. Эдгээр өнцгүүдийнн зөрүү болох найман өнцөгтийн 135 – 104,27 = 27,73 хэм, зургаан өнцөгтийн 120 – 104,27 = 15,73 хэм нь доод давхрагын молекулууд дээд давхрагын молекулуудтай нэг шугаманд давхцадаггүй, хоёр молекулын хооронд түрж байрладгаас үүдэн үүсдэггүй ба атом хоорондын өнцөг тогтмол 104,27 хэм байдаг.  Усны (Н2О)8  молекулыг өнцгүүдэд нь Н2О молекулуудыг байршуулсан, бие биенээсээ 45хэм шилжсэн хоёр квадраттай адилтгаж болох юм. Харин усны (Н2О)6  молекулыг өнцгүүдэд нь Н2О молекулуудыг байрлуулсан, бие биенээсээ 60 хэм шилжсэн хоёр гурвалжинтай адилтгаж болно.

           Ингээд бид Н2О бол усны уурын, харин молекулын түвшиндэх   (Н2О)8 , (Н2О)6  молекулуудын хольц нь усны томъёо болохыг мэдлээ.

          Усанд бас нэг кристалл төлөв байдаг. Энэ бол мөс юм. Мөсний кристалл бүтцийг бид хялбарчлан шоо хэлбэртэй, бүр тодоруулбал трапец хэлбэртэй гэж үздэг. Гэтэл илүү гүнзгийрүүлэн үзвэл энэ нь трапец, гурвалжин хэлбэрүүдийн холимог бүтэц байдаг байна.

Зураг 4 – д мөсний кристалл бүтцийг харуулав.

 

                                                   Зураг 4.

          Энэ бүтцийг нарийн судлахад шоо болгонд 2 хос устөрөгчийн холбоо сул чөлөөтэй үлдсэн байдаг ба эдгээр нь өөр шоонуудтай холбоо үүсгэнэ. Энэ холбоос зах хязгааргүй үргэлжлэх тул мөс нь нэг төрлийн том цул кристалл болж чаддаг. Мөсний механик хатуулагыг ч энэ чанараар тайлбарладаг. Дээрхи зургаас харахад мөсний кристаллын молекул бүр бусад молекулуудтайгаа холбогдож байна. Мөсний ийм криталл торыг химийн лавлахуудад гексагональ тор гэж нэрлэдэг. Мөсний химийн томъёог (Н2О)хязгааргүй  гэж бичиж болох юм. Хязгааргүй гэдэг ойлголтонд их том тоо байх боловч тодорхой мөсөн биетийн хэмжээ байдаг. Жишээлбэл, мөсөн уул байж болно. Мөсөн уулыг энэ тохиолдолд нэгэн том кристалл гэж үздэг.     

       Усанд өөр 2 кристалл бүтэц байдаг боловч тэдгээр нь хэт нам температурт үүсдэг. Энэхүү температурыг зөвхөн лабораторын орчинд гаргах боломжтой.

       Бидний амьдардаг орчны дулааны хязгаарт усны доорхи хэдэн төлөв оршдог.

1.    Хатуу төлөв -  МӨС  нь (Н2О)  молекулын хягааргүй нэгдэл юм. Тогтвортой орчин О С хүртэл

2.    Шингэн төлөв - УС нь (Н2О)8 ба (Н2О)6  молекулуудын хольц болно. Тогтвортой орчин О С – оос 100 С хүртэл

3.    Хийн төлөв - УУР – ыг дотор нь 2 ангилдаг.

а. Жирийн уур.  Энэ нь   (Н2О)2 ба (Н2О) – ын хольц юм. Тогтвортой орчин 100 С – аас 135 С хүртэл

б.  Хэт халсан уур . (Н2О) молекулууд. Тогтвортой орчин 135 С – ээс дээш

       Үүнээс гадна усны кристаллын бас нэг ангилал болох цасны тухай тусгайлан  ярих нь зүйтэй юм. Ус хийн төлвөөс шууд хасах температурт шилжихэд олон өнцөгтэй, их гоёмсог цасан кристаллууд үүсдэг.  Гэхдээ цас үүсэх температураас хамаарч цасан ширхэг өөр өөр хэлбэртэй байна. Цасан ширхэг үүсэх эх үүсвэр нь  (Н2О)6   молекул болдог тул хэлбэр нь ихэнх тохиолдолд 6 өнцөгтэй талст хэлбэртэй  байдаг.

           Калифорны их сургуулийн профессор, физикч Кеннет Либбехт цасан ширхэгүүдийн хэлбэрийг судлажээ. Машин дээр суурилуусан тусгай төхөөрөмжөөр 5 жилийн турш 6500ширхэг цасан ширхэгийн зураг авч харьцуулж үзэхэд бүгд өөр хэлбэртэй, нэг ч ижил дүрс тааралдаагүй байна. Эдгээрээс 12 цацрагтай дүрс ойролцоогоор 500 - н зураг тутамд нэг удаа тааралдажээ. Энэ зурагт үндэслэн \ хэдийгээр бусад эх сурвалжуудад дурьдагдаагүй байсан ч \ байгальд усны кристаллын бас нэг төрөл (Н2О)12 байж болох таамаглал дэвшүүлэх боломжтой гэж үзсэн байна. Бодит зураг нь байгаа юм чинь ийм төрөл байх нь гарцаагүй.

       Одоо асуудлын гол нь болох кристалл торын тухай ярилцъя. Ихэнх бодис кристалл торон бүтэцтэй байдаг. Кристалл торыг эвдэхийн тулд энерги зарцуулдаг ба үүнийг хайлуулах үзэгдэл гэнэ. Криталл торыг эвдэхэд \ хайлахад \ энерги шингэж  кристалл тор бий болгоход \ биежихэд \ энерги ялгардаг.   Физикт хайлах хувийн дулааныг L үсгээр тэмдэглэж  Джоуль/кг – аар хэмждэг.  Усны \ мөсний \ хайлах хувийн дулаан L = 33,7х100000Дж/кг байдаг.

       Ус нь 2 төрлийн  (Н2О)8 ба (Н2О)6 -  кристаллаас бүтдэгийг дээр дурьдсан билээ. Нэгэнт л  кристалл бүтэцтэй хойно далд энергитэй байна гэсэн үг. 

          ОХУ, АНУ, Украйн, Япон зэрэг ШУ –д тэргүүлэгч орны эрдэмтэн, инженерүүд уснаас дулаан гаргахаар олон жил ажиллаж байна. Тэдний бүтээсэн халаалтын төхөөрөмжүүд онол нь бүрэн батлагдаагүй ч амьдралд өргөнөөр нэвтэрч эхэллээ. Хамгийн тод жишээ нь ДУЛААНЫ ЭРЧЛҮҮРТ ҮҮСГҮҮР / ДЭҮ / “ Vortex heat generator “ ( Вихревой теплогенератор) гэдэг халаалтын төхөөрөмж юм. Эдгээр төхөөрөмжийн заримд нь усны нэг төрлийн торноос өөр бүтэцтэй тор үүсэх нөхцөл бүрддэг байж болох юм. Урвалыг нь бичвэл :

(Н2О)8 = (Н2О)6 + 2Н2О + Т

           Төхөөрөмжүүд ажиллах үед ус булингартсан юм шиг цэхэр өнгөтэй болдог.  Өнгө өөрчлөгдсөн нь усанд молекулын түвшинд уур үүссэнийх юм. Энэ уур усан дотор конденсацлагдаж дулаан үүсгэдэг. Конденсаци явагдах үед Н2О молекулууд эхлээд  уур болох ба дараа нь  (Н2О)6  молекултай ус болдог. Өөрөөр хэлбэл, хэт халсан уур эхлээд  жирийн уур, дараа нь шингэн болно.

2Н2О = (Н2О)2  + Т

3Н2О =  (Н2О)6 + Т

         Эрчим хүч талаас нь харахад халаах процессын хэлхээ нь битүү биш, харин задгай хэлхээ юм. Тэгэхээр нэмэгдэл буюу “ бэлэг “ – ийн эрчим хүч хаанаас ирж байна вэ?. Энэ эрчим хүч нь нарнаас өгөгддөг. Манай цэнхэр гариг дээр нар эхлээд цас мөсийг хайлуулахад хайлмаг ус (Н2О)6 бий болдог. Дараа нь хайлмаг ус Т=0 –40 С температурт ууршина. Энэ уурших үедээ ус маш их дулааныг өөртөө шингээдэг.

3(Н2О)6  + Т = 2(Н2О)8 + 2 (Н2О)2  

           Энэхүү ууршсан ус бороо, цас хэлбэрээр газарт бууж далай, тэнгис, нуур, газрын гүний ус болж амьдралыг тэтгэдэг.

          Дээрх үзэгдлийг бидэнд хамгийн ойрын жишээ болох аккумуляторын  батерейтай зүйрлүүлж болно. АкБ – ы цэнэг багасахад дахин цэнэглэдэг. Усыг АкБ гэж төсөөлье. Нарнаас авсан энергийг ус хадгалж байдаг. Энэ энергийг ямар нэг төхөөрөмжийн тусламжаар усны молекул, атомаас бид салган авч хэрэглэж болно.

        Уснаас дулаан үүсдэг гэж үздэг онолуудын нэг нь дээрхи байх магадлалтай .

        Эрдэмтэн Кристофер Бреннений тодорхойлсноор шингэн нь босго даралтаас / суналтын хүчлэлээс / бага даралтанд ороход усны урсгалын бүтэн байдал алдагдаж уур хэлбэрийн зурвас үүсдэг. Энэ үзэгдлийг кавитаци гэнэ.

Кавитаци гэдэг нь латиний “ cavitas  - хоосон “ гэдэг үгнээс гаралтай. Шингэний даралт зарим цэгт тэр орчимын ханасан даралтаас доош унахад шингэн өөр төлөвт шилжин гол төлөв фазын орон зай үүсгэх ба үүнийг кавитацийн бөмбөлөг / цэврүүнүүд / гэнэ.

        Энергийг / цахилгаан цэнэг юмуу лазерь импульс хэлбэрээр / тодорхой нэгэн цэгт төвлөрүүлэн бөмбөгдөж кавитацийн бөмбөлөг үүсгэж болно. ОХУ – ын академик Дудышев В.Д. энэ чиглэлээр ажиллаж тодорхой амжилтанд хүрээд байна.

        Физикийн ихэнх эх сурвалжид кавитацийг доорхи хэлбэрээр тайлбарладаг. Кавитацийн үзэгдэл нь шингэний буцлах процесстой их төстэй юм . Үндсэн  ялгаа нь буцлах үед шингэний фазын төлвийн өөрчлөлт бүх шингэний орчинд явагддаг бол кавитацийн үед шингэний даралт ханасан уурын даралтаас өндөр даралтанд явагдаж даралтын уналт маш бага орон зайд / тухайн орчны / шинж чанартай байдаг.  Гэвч сүүлийн үеийн судалгаанаас үзэхэд бөмбөлөг үүсэх гол үүргийг бөмбөлөг дотор ялгардаг хий гүйцэтгэдэг гэж үзэж байна. Эдгээр хийнүүд шингэн дотор байдаг ба даралт буурсан бөмбөлөг дотор идэвхтэй ялгардаг. Шингэний даралтыг тухайн хэсэгт хэлбэлзүүлэхэд бөмбөлгүүд огцом шахагдах юмуу тэлдэг ба үүнээс болж бөмбөлөг доторхи хийн температур өргөн хүрээнд хэлбэлзэж хэдэн зуун градус хүрч болдог. Нөхцөл бүрдсэн цэгт 1500 гр. хүрдэг тооцоо байна.

         Уснаас дулаан гаргадаг төхөөрөмжүүдийн бусад халаалтын төхөөрөмжөөс илүү тал нь зарцуулсан энергээсээ илүү дулааны энерги боловсруулж чаддагт л байгаа юм. Энерги нь багассан усыг нарны элч дахин цэнэглэдэг  байна. Бодит байдал дээр нарны гэрэл биш, харин наран дээр явагддаг үзэгдлүүдийн үр дүнд үүсдэг соронзон орон ба түүнийг дагалдан үүсдэг торсион орны энерги манай цэнхэр гариг дээрхи бүх л үйл явцад, түүний нэг болох усны молекулын кристалл бүтцийг нэгээс нь нөгөөрүүгээ шилжихэд нөлөөлдөг гэж үзэж байна.

        Манай “ ШИНЭ ЗУУН ЭРЧИМ ХҮЧ ” сан ТББ – ын бүтээсэн  дулааны эрчлүүрт үүсгүүр “ ДЭҮ “  болон “ АМО – Х6 “ халаагуурууд нь мөн л энэ нуугдмал, байгалиас заяасан бэлэгийн энергийг дулааны энерги хэлбэрээр гаргаж орон байр халаахад ашигладаг төхөөрөмжүүд юм.

          ДЭҮ нь  ажлын хэсэг, шахуурга, хөдөлгүүр, удирдлагын хэсгээс бүрдэнэ. Шахуургын хүчээр даралттай усыг ажлын хэсэгрүү оруулахад дотор нь байрлах дамрууд усыг хурдасган даралтын зөрүү үүсгэж кавитаци үүсгэх орчинг бүрдүүлнэ. Шингэний даралт зарим цэгт тэр орчимын ханасан даралтаас доош унахад шингэн өөр төлөв болох уурын төлөвт шилжсэнээр фазын орон зай үүсч кавитацийн бөмбөлөгүүд / цэврүүнүүд / үүсдэг. Шингэний даралтыг тухайн хэсэгт хэлбэлзүүлэхэд цэврүүнүүд огцом шахагдах юмуу тэлдэг ба үүнээс болж цэврүүн доторхи хийн температур өргөн хүрээнд хэлбэлзэж хэдэн зуун градус хүрч болдог. Тохироо бүрдсэн цэгт 1500 С ч хүрдэг тооцоо байна.

         Харин АМО халаалтын төхөөрөмж нь шахуурга, шингэнийг халааж кавитаци үүсгэх тогоо, удирдлагын систем зэргийг байрлуулсан ганц хайрцагаас бүтнэ. Тогооны доод хэсэгт шахуурганаас ирэх шингэнийг цахилгаан халаагуураар халаан тогооны дээд хэсэгрүү шахаж оруулна. Энд кавитацийн үзэгдэл явагдаж хийн бөмбөлөгүүд үүсдэг. Эдгээр бөмбөлгүүд халсан усны хамт бөмбөлөг саатуулах зурвасаар дайран өнгөрөхдөө хагарч дотроо агуулж байсан дулаанаа усанд өгснөөр нэмэгдэл дулаан бий болгодог. Энэ төхөөрөмжийн давуу тал нь кавитацийн үзэгдэл явагдах орчинг шингэнийг цахилгаан халаагуураар халааснаар хурдан бий болгож байгаа боловч ялгарах хийн бөмбөлөгүүдийн хэмжээ бага байдаг тул нэмэгдэл дулаан харьцангуй бага гардаг. 

       Цаашдаа энэ чиглэлийн судалгааг улам гүнзгийрүүлэн орчин үеийн нарийн хэмжилтийн багаж хэрэгслэлээр сайн тоноглосон лабораторид хийвэл илүү бүтээмжтэй халаалтын болон бусад зориулалтын төхөөрөмж бүтээх боломж байна.  

Инженер Г.Сүхбаатар

2012.10.03 нд

ШИНЖЛЭХ УХААН АМЬДРАЛ сэтгүүлийн 2012он.12 сар. №4(327) - д 68 – 71-р хуудсанд хэвлэгдэв.