ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ИНФРАКРАСНОЙ СУШКИ ЛЬДА

В настоящее время на регламент движения воздушных судов наибольшее влияние оказывает климатический фактор. Совершенствование систем навигации в значительной степени устранило влияние таких климатических явлений как туман и дождь на воздушное сообщение. Однако борьба с обледенением воздушных судов и взлетно-посадочной полосы до сих пор остается сложной технологической задачей для аэродромных служб.

Сложность борьбы с обледенением обусловлена не только высокой трудоемкостью работ, но и ограниченностью существующих технологий в плане их совершенствования для снижения временных и энергетических затрат, повышения качества и надежности выполняемых работ.

Поиск и физическое обоснование новых, более эффективных системных технологий для борьбы с обледенением требует современного подхода к анализу фазовых состояний молекулярных ассоциаций воды с учетом их структурных форм, межмолекулярных обменных процессов и изыскания таких реакций разложения, которые идут с экономией энергии по сравнению с применяемыми технологическими процессами, основанными на последовательности процессов термического таяния льда и последующего его испарения в виде воды.

Основой современного подхода к управлению реакционной способностью и скоростью энергетического разложения является направленное регулирование развития реакции на основе выбора тех физических механизмов, к которым данная реакция в наибольшей степени чувствительна. Данный подход требует выявления первичной стадии распада или диссоциации межмолекулярных связей во льду, которая является началом энергетического разложения, в основе которой лежат не термоактивируемые миграционные процессы.

Теплофизические и термодинамические характеристики молекул воды и их реакционная способность во многом определяются не только их структурой, но и спецификой внутримолекулярного и межмолекулярного обменного процесса.

Ряд новых данных о физико-химических свойствах различных фазовых состояний воды указывает на то, что существующие затраты теплоты на активацию миграционных процессов во льду могут быть значительно уменьшены, если для разрыва межмолекулярных связей будут правильно определены пространственная локализация и энергетический вид воздействующего фактора.

Как известно, вода обладает аномальной температурной зависимостью ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. При переходе молекулярной структуры воды из твердого в жидкое состояние теплоемкость скачком изменяется от 9 до 18 кал/моль • град, в то время как для подавляющего числа веществ фазовый переход дает прибавку не более чем на 10%.

Во льду энергия, подводимая для нагревания, тратиться в основном на увеличение тепловой скорости молекул. Скачок теплоемкости после плавления означает, что в воде открываются какие-то новые процессы (и очень энергоемкие), на которые тратиться подводимое тепло и которые обуславливают появление избыточной теплоемкости.

С точки зрения физики имеется множество разновидностей льда, отличающихся своей молекулярной и мезоскопической структурой. Во льду каждая молекула Н₂О окружена четырьмя другими, однако кристаллическая решетка (гексагональная) не является плотноупакованной, а поэтому плотность ρ обычного льда (~0,92 г/см3 ) ниже плотности воды (~1 г/cм3 ) и среднее координатное число воды составляет ~ 4,4. Установлено, что при плавлении льда кристаллический порядок молекулярных структур разрушается, но сетка водородных связей сохраняется. Это означает, что каждая молекула воды как во льду, так и в жидком состоянии сохраняет свои четыре водородные связи, но так как угол между направлениями связей протонов с кислородом в каждой молекуле воды будет уменьшаться: от тетраэдрического значения 109,28º во льду к 104,51º в воде, то это приводит к повышению плотности воды по сравнению со льдом. 

 
Рис.1. Тетраэдрическая модель молекулы воды.  Из-за разницы в электроотрицательности атомов водорода и атома кислорода связи Н — О поляризованы и на атомах водорода имеются положительные эффективные заряды.

Причину особых физических и химических свойств воды современные исследования объясняют наличием водородной связи, сущность которой состоит во взаимодействии атома водорода одной молекулы с электронной парой атома кислорода другой молекулы, когда атом водорода становиться одновременно связанным с двумя атомами кислорода ковалентной и водородной связью.