Поляризація води може відбуватися під дією теплоти

Теоретичні розрахунки фізиків показують, що такий діелектрик, як вода, можна поляризувати, створивши в ньому постійну різницю (градієнт) температур. При цьому електричне поле у воді може досягати величезного значення - близько 108 В/м.

Різниця температур, прикладена до меж деякої системи, здатна генерувати у ній електричний струм. Це явище фізики називають ефект Зеєбека. Правда варто обмовитися, що йдеться про «неоднорідну» систему, точніше контакт двох різних металів. Зрозуміло, що у разі «однорідної» системи, коли різниця температур прикладена до металу, електричний струм не виникатиме.

Що буде у випадку, коли градієнт температури створюватиметься в діелектриці? Здавалося б, вільних носіїв заряду немає, тому відсутність електричного струму очевидна. Однак, як виявилося, спостерігатиметься інший електричний ефект – поляризація діелектрика. Відомо, що молекулу діелектрика можна як маленький диполь. У роботі Water Polarization under Thermal Gradients норвезьких та англійських вчених показується, що дипольні моменти молекул діелектрика, в якому створюється постійна різниця температур, упорядковуються та орієнтуються у напрямку з меншою температурою.

Повертаючись до роботи, що обговорюється, зазначимо, що досліджувана система являла собою прямокутний паралелепіпед — «ящик» з розмірами Lx = 5Ly = 5Lz, де Lz = 19,73 A або (другий варіант «ящика») Lx = 10Ly = 10Lz, де Lz = 14,79 A, де Lx, y, z - Довжина, ширина і висота відповідно. У цих ящиках знаходилося відповідно 1280 та 3240 молекул води. Градієнт температури створювався вздовж осі х. "Профіль" поширення тепла в системі показаний на малюнку 1.Постійність температур можна регулювати за допомогою термостатів, розташовуючи їх з обох боків і всередині системи.

Передбачається, що температура на торцях моделюється системи розміром Lx = 5Ly = 5Lz становить 475 К, у середині «ящика» 325 К, що відповідає тепловому потоку 2,6 · 10 10 Вт/м 2 або (другий випадок) 450 К і 350 К з тепловим потоком, рівним 1,4 10 10 Вт/м 2 . В обох випадках вода була під тиском 1400 атмосфер.

Порожні та замальовані кола на графіку відповідають тепловим потокам 2,6 10 10 Вт/м 2 і 1,4 10 10 Вт/м 2 відповідно. Суцільна червона лінія – експериментальна крива. Як видно, згода теоретичного опису та експериментальних даних явно проглядається, а значить, надалі теоретична модель, що базується на методах нерівноважної термодинаміки, повинна давати правильні результати.

Основний результат роботи можна подати у вигляді графіка залежності напруженості електричного поля вздовж напрямку створеного градієнта температури в системі, що досліджується (рис. 3).

Тут чорними кв. температури 2 К/A). Таким чином, створюючи градієнт температури близько 10 10 К/м, можна створити напруженість електричного поля у воді порядку величини 10 8 В/м.

Наприкінці залишається лише одне питання, яке потрібно з'ясувати, саме, що змушує молекули води впорядковуватися під впливом теплоти? Не вдаючись до подробиць складних понять нерівноважної термодинаміки, цей ефект можна пояснититаким чином: загальновідомо, що будь-яка термодинамічна система, яка перебуває в нерівновазі з навколишнім середовищем, прагне знайти «стійкий» стан. Так ось, завдяки поляризації діелектрика, система ніби чинить опір при поширенні теплоти, прагнучи таким чином компенсувати нерівномірний розподіл температури всередині себе.

Джерело: Fernando Bresme, Anders Lervik, Dick Bedeaux and Signe Kjelstrup. Water Polarization under Thermal Gradients // Physical Review Letters, 101, 020602 (2008).