工程技術/商機技術/奪標技術  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  大綱  內容

水的超常性質

資料來源：http://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html

• 註一：約十年前(2006)英國著名的倫敦南岸大學（London South Bank University）由名譽教授(Emeritus Professor，“Emeritus”：退休卻終身享有該名銜者)Prof. Martin Chaplin推出世界首屈一指的「水的結搆與科學Water Structure and Science」網站，站內近百篇論文，讀者可先參見目錄網頁才定瀏覽的先後次序。本文為其中一篇，介紹水的超常性質之科學。讀者可由其中發覺我們原本每日接觸、充斥地球每個角落、習以為常的水，簡單的二氫一氧構成的分子，卻是具有這麼神奇的特性。非常普通，但充滿各式各樣難以掌握的特性。這是水處理科技充滿神秘性之處，非常惱人，因為你以為懂它了，它卻老是給你找麻煩(結垢造成主機EER效率大幅下降)，趕也趕不走，因為你也離不開它。許多空調先進向本人表示，依照設計規範加藥或裝設水垢處理器，效果仍然不佳，其實就是設計規範並未針對這些水及其中雜質如鈣鎂硬度及碳酸鹽鹼度等，提供正確的解決方案，當然「效果仍然不佳」。經濟部實際訪測後，EER平均下降33.125%，證實這些先進所言屬實。空調設計規範如何才算正確，屬水處理化工技術與空調技術二者兼顧的專業技術，才不致違反技師法，請參見空調工程採購—相關法令之專業要求及相關文章，並歡迎與本公司聯絡。本公司將提供經濟部TWTM技術服務機構登錄的專業認證之技術輔導。
• 註二：科學裡有很多屬於1+1=2這類死死板板的學理，是不能違背的。技術的基礎必須建立在科學之上，換句話說，不能違背科學。專業技術不能違背科學，這麼淺顯易懂的道理亦沒有人會反對或有異議。水處理屬於科學及技術的專業範圍，其中千千萬萬條科學及技術的原理、原則、定理、定律、公式、計算，該大學的水網站提供相關資料可以參考。遺憾的事就是空調業界包括許多空調技師及工程公司的先進沒有建立在科學之上，這類違反法令情事卻發生了。歡迎與本公司聯絡。本公司將提供經濟部TWTM技術服務機構登錄的專業認證之技術輔導。

總彙系列：1.CNS/EER/積垢/熱傳熱力綜合系列、2.CNS/EER系列/應用、3.總彙.水處理化工技術、4.總彙.水處理術語、5.EER工程.文章總彙、6.E平台-水處理技術

水處理技術系列：1.空調水質污染計算、2.EER問題與改善方法.原理、3.化工技術解說(1)、4.化工技術解說(2)、5.空調技師-水處理設計技術、6.水處理.實用技術及市場狀況

CNS系列檔案：CNS、AHRI技術、CNS、AHRI技術要點、EER節能技術90%、空調主機EER量測驗析實務技術、EER全年確效技術、冰機EER.基準值技術及運用SOP

EER與積垢浪費檔案：EER訪測.經濟部、綠基會實測、費用展開表、LCC 20年比較表、積垢與LMTD公式演算、積垢熱傳熱力分析、LMTD公式演算筆記、節能術語解釋及技能說明

工程效益系列：費用展開表、工程經濟效益評比、偷工減料、損害業主權益

EER改善成效檢驗系列：懶人包(0)、(1)、(2)、穩態EER技術(1)、(2)、(3)

成效驗析實務系列：EER驗證分析實務(1)、(2)、EER驗證分析系統畫面

趨近溫度系列：趨近溫度的謬思(1)、(2)、(3)原來一直都錯了、(4)謬思的實證

防蝕效益系列：1. 冷卻水處理腐蝕率標準、2. 水處理防蝕經濟效益技術

腐蝕系列：1.腐蝕測試.SOP、2.腐蝕試片、3.腐蝕照片

法令系列：1水處理採購與法令、2水處理與能源管理法、3水處理與技師法、4.EER工程帶動空調產業發展、5.ESCO產業發展的契機、6水處理與偽造文書、7承商水處理技術

業主系列：1主機EER改善.第一步、2業主進階技術、3基本功、4.CUS/EUS發包範例.解說、5業主再進階技術、6運轉EER改善專案、7精明購買家.知識經濟、8水處理送審範例解說

監造系列：搶標下.業主監造技術(1)、(2)、(3)

【大綱】　　　　在假貨充斥空調水處理業中，新湧就是信用、專業　　　TOP　BOTTOM

一、水超常性質的範圍　　　　二、水相的超常性質　　　　　三、水密度的超常性質
四、水材料的超常性質　　　　五、水熱力的超常性質　　　　六、水物理的超常性質
七、註腳

【內容】　　　　在假貨充斥空調水處理業中，新湧就是信用、專業　　　TOP　BOTTOM

30~40年來空調業界的雙重困擾之處，尤其是施工採購送審未達CNS 12575防垢成效標準卻假冒者，就是不真、就是假貨，充斥在空調水處理業中，毋庸贅述。

一、水超常性質的範圍

水的超常性質是液態水的行為被發現與其它液體相當不同的部分。冰凍的水（冰）也顯示與其他固體相比時的超常性質。雖然這是一個看似簡單的分子（H₂O），由於其分子內的氫鍵，它卻具有一個非常複雜和超常特徵。它為氣態時，水是已知最輕的氣體之一，當為液態時，它是比預期緻密得多，為固態時，它與其液體形式相比，是比預期的要輕得多。2008年一份對水超常性質的研究有趣的歷史已發表在ChemPhysChem雜誌。

由於液態的水是如此普遍，在我們的日常生活中，它常常被認為是一個“典型”的液體。事實上，水反而是最非典型的液體，它在低溫下的行為，與在熱狀態下，二者呈現出相當不同的一個材料。經常有人說：生命取決於水的這些超常性質。特別是，其分子之間的凝聚力，給它一個高的凍結和融化點，這樣，我們和我們的星球都浸沐在液態水中。水的大熱容量，高導熱性和在生物體內的水分含量高，熱調節，防止局部溫度波動，從而使我們能夠更容易地控制我們的身體溫度。水的高蒸發潛熱使人體能耐抗脫水，也因具相當的蒸發冷卻，容易控制體溫。由於其極性、高介電常數和體積小，特別是對於極性和離子化合物和鹽類，水是一種優良的溶劑。它對生物大分子（尤其是各種蛋白質和核酸）具有獨特的水合性能，用以決定它們的三維結構，因此，它們的功能，在溶液中。這水化形成凝膠，能可逆地發生凝膠 - 溶膠相變，許多細胞機制的基礎。水的電離，可以方便地質子交換分子之間，因此促進了在生物學豐富的離子相互作用。

在4°C的水加熱或冷卻體積皆會變大。4°C的水密度最大以及冰的密度較低，結果導致（i）必要性，所有的水體（不只是其表面）都是先接近4℃，然後，才發生凍結現象，（ii）河流、湖泊和海洋的凍結都是從上而下，故底部的生態允許生物存活。水的絕緣阻止了進一步凍結，反射回來的陽光照進空間，並允許快速解凍，及（iii）水密度不同所驅動的熱對流造成不同季節的水互相混合，在更深的溫帶水域帶到深處對生命提供氧氣。海洋的熱容量大，可以讓他們作為存熱庫，海洋水溫度的變化只有陸地溫度的三分之一多。以致於調和了氣候條件（例如，墨西哥灣流將熱帶的溫暖帶至歐洲的西北部）。水的可壓縮性，降低了海平面約40米，給我們5％以上的土地。水的表面張力高，加上其凍結時體積擴張造成岩石的侵蝕，給我們農業所需的土壤。

水的超常性質當中，值得注意的是熱和冷的水的相反特性，其超常行為更集中在低溫下，此時過冷的水其性質往往偏離六邊形的冰結晶。過冷和冷的液態水被加熱而體積收縮，它收縮時，它變得越來越不容易壓縮，且其折射率隨之增加，內部的聲音速度增加。氣體較不易溶解，並且較容易受熱及容易傳導熱。對照熱的液態水與此相反，被加熱時體積膨脹，它變得更容易壓縮，其折射率降低，內部的聲音速度減小，氣體變得容易溶解，較難受熱及較差的熱傳導。隨著壓力越來越大，冷水的分子移動速度變快，但熱水分子移動速度變慢。熱水結凍的速度快於冷水，而冰塊受壓時溶解，但在高壓時例外；液態水受壓縮時會結凍。水以外的物質其固態，液態和氣態沒有像水這般表現。

水的超常性質呈現效果的層次分明特性，帶有不同的界限。這些顯出指示的相對性，就像是從模型衍生的，不是從實驗數據得出的。這種結構性的界限指出，水在壓縮時的更無次序性。動態的界限顯示出其中擴散隨著水密度增加而增加，以及熱力學界限顯示出其中有最大密度的溫度點，在適當壓力下，其數據從38度K往上飄移至最大密度的溫度點。通常密度總是隨著壓力而增加，壓力沿著橫軸也有類似的關係變化。

有時，顯然是不可預知的或意外的性質，可能是由於液態水中溶解氣體濃度的變化，有一個因子是難以控制，而容易被人忽視。大氣中氣體溶解在水中後，形成奈米氣泡和微氣泡，其中一些可能擴大而回升至表面。此過程會導致連續的，但有點混亂的氣體濃度變化，在經過顯著的時間週期（»100秒），從而導致水的氫鍵結構連續的變化。這樣的推測在反常下面描述的屬性被認為是不存在的。 在下面的超常性質之下，前述這些推論的結果並不存在。

二、水相的超常性質 

1.水具有不尋常的高熔點。

2.水具有不尋常的高沸點。

3.水具有不尋常的高臨界點。

4.比起其他物質而言，固態的水存在於更廣泛的各種穩定的（和次穩的）的晶體和無定形結構。

5.熱導率、冰的剪切係數和橫向聲音速度隨著壓力的增加而降低。

6.液態水在高壓下結構會改變。

7.過冷水具有兩個相，和在約-91℃有第二個臨界點。

8. 液態水很容易過冷，但玻璃化困難。

9. 液態水在非常低的溫度存在並在加熱凍結。

10. 液態水可以很容易過熱。

11. 熱水凍結速度可快於冷水—姆潘巴現象。

12. 溫水比冷水振動的更久。

三、水密度的超常性質 

1.加熱時冰的密度增加（直到70 K止）。
2.水熔化時收縮。
3.壓力降低冰的熔點。
4.液態水具有高的密度，在加熱時會隨之增加（直到3.984℃止）。
5.水的表面比主體密度高。
6.壓力會降低最大密度的溫度點。
7.過冷水有一個最小密度。
8.水具有低的膨脹係數（熱膨脹係數）。
9. 在低溫條件下，水的熱膨脹係數會快速減少（成為負值）。
10. 隨著壓力增加，水的熱膨脹係數會增加。
11.最近的鄰近分子數隨融化而增加。
12最近的鄰近分子數隨溫度而增加。
13.水有不尋常的低壓縮性。
14.可壓縮性會隨著溫度升高而下降（直到46.5°C止）。
15.可壓縮性與溫度的關係中有一個最大值。
16.聲音的速度隨溫度增加，直到74℃止。
17.聲音的速度可能會顯示一個最低限值。
18. 快速聲音被發現在高頻率和顯示出了在較高壓力下的不連續性。
19. 在低溫下，NMR自旋 - 晶格鬆弛時間是非常小的。
20. 在低溫（過度冷卻）下，NMR位移增大到最大值。
21.水的折射率具有最大值在剛好低於0℃。
22.液體變化為氣體的體積變化是非常大。

四、水材料的超常性質

1. 沒有任何一個水的解決方案是理想的。
2.D₂O和T₂O從它們的物理性質上和H₂O有顯著不同。
3.液態H₂O和D₂O在他們的相的行為顯著不同。
4.H₂O和D₂O 的冰在他們的量子行為顯著不同。
5.在低溫度下，水內的氫原子其平均動能增加。
6.溶質在其性質上，如密度和粘度，有不同的影響。
7.非極性氣體對水的溶解度隨溫度降到最低，然後上升。
8.水的介電常數高。
9. 水的相對電容率顯示出了溫度的最大值。
10.質子和氫氧根離子的遷移率在電場中超常快。
11.水的導電率在約230℃上升到最大
12.弱酸的酸度常數顯示出最低溫度點。
13. X-射線繞射分析顯示出一個不尋常的細部結構。
14. 隨著壓力的增加，在高壓下的水分子進一步互相遠離彼此。

五、水熱力學的超常性質

1.水的融合熱受溫度影響顯出最大值在-17℃處。
2.水的比熱超過冰或水蒸汽兩倍以上。
3.水的比熱（CP和CV）具有不尋常的高。
4.水的比熱（CP）最小值在36℃。
5.水的比熱（CP）最大值在約-45℃。
6.水的比熱（CP）相對於壓力有一個最小值。
7.水的比熱（CV）有個最大值。
8.水有高蒸發熱。
9.水有高昇華熱。
10.水有高蒸發熵值。
11.水的熱導率，其最大值在約130℃。

六、水的物理超常性質

1.水有超常高的粘度。
2.水的粘度隨著溫度增加而降低。
3.低於33°C後，水的粘度隨著壓力增加而降低。
4.水有大的擴散，但隨著溫度降低而減少。
5.在低溫下，隨著密度和壓力的增加，水的自擴散增加。
6.熱擴散率上升在約0.8 GPa處達到最大。
7.水有超常高的表面張力。
8.有些鹽類具有最小值的表面張力-濃度關係；瓊斯藍光效應。
9.有些鹽類可防止小氣泡的聚結。
10.鹽類的分子離子體積相對於溫度具有其最大值。

圖中左側顯示了一些液態水與溫度有關的超常屬性。該圖使用在最大和最小值之間的範圍內的數據繪出。（參見原始數據）
注意：特別注意是在高和低的溫度下的不同的行為。

七、註腳

• a.水的性質是否被視為超常，取決於其用途與其他材料的比較所詮釋的結果。例如，水具有某些性質，但其他人可能會由它的結構來推論而造成爭論（參見例402）。其他四面體相互作用的液體，如液態Si，SiO₂和BeF₂，有許多類似的“超常”。就像其他物質在混合時亦會出現類似超常，如液態碲。Franks指出水、液態鈉、氬氣和苯之間的比較後表示前述數項性質並非超常。然而，這些物質可能不是典型的液體。根據我對一般所知的超常性質來列表，液態水（和冰）不列在“典型”的液體（或固體）。242的評論聚焦在水的非超常性質、，換句話說，和其他液體“相同”的性質。在高溫下（> 315K）水的熱力學性質可視為接近“正常”的液體。
  

• b.我們很難獲得真正的純淨水（例如溶質<5毫微克/克）。回顧溶解度預測的文章，請參閱744。請注意，（六邊形）的冰，相反的，是一個非常差的溶劑，這可以用來淨化水質（例如，脫氣）時，使用連續的結凍-融解循環步驟。水的優良溶解性能，連同其無毒的性質，使水成為許多化學反應的優選溶劑。
  

• c.一些科學家認為低溫下水的超常性質歸功於第二個臨界點的存在;有趣的是，如果有些非生產性的假設作為唯一的解釋（其他人同意，可做為混合造成的影響）。水的不正常現象，不需來這樣解釋，雖然它似乎有這種可能性。
  

• d.在這些例子中“熱”與“冷”水的溫度範圍有改變;詳細資料，請參閱各該條目。
  

• e.水的超常性質被分類，但很明顯，有些超常，可能包括在多個主題下，且有可能不能在所列的分類中有通用協定。超常性質的數目取決於它的選擇和相關的超常（例如彼此相反的變化，包括莫耳體積和溫度的關係）組合在一起，或作為單獨的現象。

如果您有其他見解或心得，歡迎您到FB陳新湧、運轉EER技術論壇、新湧產業論壇發表
如果您有任何疑問，歡迎您聯絡新湧或email告知，讓我們為您服務。