2.2. Скачкообразный выход из метастабильного состояния.

Метастабильным называется условно устойчивое состояние вещества, из которого оно может быть необратимо выведено достаточно сильным возмущением. При этом вещество переходит в равновесное (безусловно устойчивое) состояние, к которому в дальнейшем оно снова возвращается после любых возмущений.

2.2.1. Взрывное вскипание жидкости

Известно, что температура кипения жидкостей зависит (положительно) от давления. Известно также, что в достаточно чистой посуде при атмосферном давлении можно перегреть воду до температуры заметно выше 100^оС. Если в такую воду внести «возмущение конечной величины», например высыпать чай или сахар, то вода бурно вскипает, частично переходя в равновесное (парообразное) состояние. Но если не внося специально никаких возмущений продолжить перегрев воды, к конце концов она взорвется (быстро вся превратится в пар) без видимой причины, потому что по мере повышения температуры для разрушения метастабильного состояния требуются возмущения (неоднородности) все меньшей величины и все больше шансов, что они в этой воде найдутся. Важно понимать, что взрыв перегретой воды по разрушительным последствиям сопоставим со взрывом такой же массы традиционной промышленной взрывчатки, поскольку сравнима важнейшая характеристика взрыва: масса образовавшегося газа. При этом перегретые жидкости используются в различных технических устройствах и процессах.

В метастабильном перегретом состоянии вода (даже холодная) может оказаться и в результате быстрого снижения давления, например при обтекании некоторых участков поверхности гребного винта. Непроизвольный переход в равновесное состояние (пар) в этом случае называется кавитацией, и создаваемые ею проблемы широко известны.

2.2.2. Взрывная газификация кристаллогидратов

В 60-х годах сейсмическая служба США зарегистрировала вблизи советского побережья Ледовитого океана подводный взрыв большой силы. Впоследствии выяснилось, что в результате этого взрыва возник небольшой остров (размером около 1 км). США обвинили тогда СССР в проведении запрещенного международными соглашениями подводного испытания ядерного оружия. Но причина взрыва оказалась другой. Примерно в те же годы наши геологи доказали, что почти всюду в мировом океане в определенном интервале глубин (в районе шельфов) находятся залежи кристаллогидратов метана. Вся морская флора и фауна по мере отмирания попадает на дно и разлагается с выделением метана. Известно, что растворимость газов в воде пропорциональна давлению, а значит глубине. Метан, выделяющийся на глубине в несколько сотен метров, полностью растворяется в воде и при достаточно низких температурах образует с ней кристаллогидрат – лед, в котором внутри каждой (образованной несколькими соседними молекулами воды) ячейки находится молекула метана. Это – топливо будущего. Оценка по количеству запасенного углерода показала, что его в кристаллогидратных месторождениях больше, чем во всех разведанных и неразведанных месторождениях нефти, угля и газа. Подсчитано, что для сжигания всего запасенного в кристаллогидратах метана понадобилось бы 5% кислорода атмосферы Земли. Месторождения кристаллогидратов метана имеются не только на дне океанов. но и на суше (в вечной мерзлоте Якутии и даже под дном Черного моря). При бурении разведочных скважин произошло несколько разрушительных взрывов нехимической природы (метан не реагировал с кислородом воздуха, а просто выделялся в скважине в огромном количестве). Наиболее вероятная причина состоит в том, что какие-то участки этих месторождений находились в метастабильном (в данном случае перегретом) состоянии, например в результате локального потепления. Вызванного бурением возмущения оказалось достаточно для мгновенного выделения в виде газа всего метана из метастабильного участка месторождения. Что касается взрыва в Ледовитом океане, то он скорее всего никем не был спровоцирован. Просто в данном случае перегрев зашел настолько далеко, что для взрыва хватило естественных микровозмущений. По-видимому, подобные вызванные изменением климата взрывы происходят регулярно в мировом океане, при этом в атмосферу выбрасывается огромное количество метана. Поскольку метан в 25 раз лучше углекислого газа задерживает инфракрасное излучение Земли, можно утверждать, что обнаружена одна из важнейших причин парникового эффекта. Кроме того, метановыми выбросами проще всего объяснить таинственные исчезновения кораблей и самолетов в «Бермудском треугольнике». Он находится в пределах Саргассова моря, которое на физических картах мира даже выделяют зеленым цветом, чтобы напомнить о водорослях, покрывающих его поверхность. По-видимому, повышенному количеству непрерывно образующейся органики соответствует и повышенная скорость образования метана на дне и большие масштабы периодического его подъема. Корабль, попавший в зону выброса метановых пузырей (если размер этой зоны превышает размеры корабля), утонет мгновенно просто по закону Архимеда. Самолет, попавший в поднимающееся метановое облако, упадет по причине остановки двигателей без поступления в них кислорода. Подробнее об этом см. в обзоре [2] и в Интернете (любая поисковая система, словосочетание «кристаллогидрат метана»).

2.2.3. Быстрая кристаллизация переохлажденной жидкости также используется в некоторых устройствах. Примером может служить соляная грелка, которая представляет собой герметичный пластиковый мешок с концентрированным раствором соли. При 50⁰С соль полностью растворена. Грелка, нагретая вначале до такой температуры и затем положенная куда-нибудь на полку при комнатной температуре, постепенно остывает до этой температуры и после этого сколь угодно долго является своеобразным идеальным термосом. Дело в том, что при остывании в спокойной обстановке соль не выпадает в осадок, как это было бы при точном выполнении фазового равновесия, а остается в метастабильном растворенном состоянии. Вывести из него ее можно, например, достаточно сильным нажатием на грелку (предварительно положенную на или под больного). При этом вся соль выпадает сразу в осадок, раствор превращается в соляной монолит с вкраплениями жидкой воды – и выделяется большое количество тепла, как и положено при таком фазовом переходе. После использования грелку снова нагревают (например, в кастрюле с водой на плите), соль растворяется – и грелку снова можно класть на полку.

Другой пример рассказал один из студентов. В экологической службе, где он работал, потребовалась для анализов концентрированная (так называемая ледяная) уксусная кислота. Ее получают из разбавленной вымораживанием воды, при этом температура замерзания чистой уксусной кислоты около –17^оС. Кастрюлю с уксусом выставили за окно, где тогда было 30 ^оС, и после длительного охлаждения с удивлением обнаружили, что уксус остался жидким. Но при помешивании стеклянной палочкой он мгновенно замерз. По-видимому, для эффективного вымораживания воды нужно было жидкую смесь помешивать при охлаждении.