Другие свойства воды. Догадки и гипотезы

Как мы уже говорили, понятия скрытой теплоты плавления и теплоты парообразования были впервые введены в научную практику Дж. Блэком в 1757 году. Эти параметры воды, говоря словами академика В. И. Вернадского, следует рассматривать как константы планетарного значения. Они играют исключительно важную роль в системе атмосфера — гидросфера — литосфера и прежде всего потому, что резко разнятся от похожих величин, которые были выведены для других веществ. Аномальный характер этих констант определяет многие физико-химические и биологические процессы на Земле.

На плавление 1 кг льда затрачивается 333,7*103 Дж теплоты при нормальном атмосферном давлении и О °С. В Справочнике химика из указанных 27 веществ только 5 имеют скрытую теплоту плавления выше 200*103 Дж/кг: медь, железо, лед, алюминий, хлористый натрий.

Весьма интересно меняется скрытая теплота плавления льда при понижении его температуры. Оказывается, если охладить лед до —7 0C, то количество затрачиваемой теплоты уменьшится до 323*103 Дж/кг. Величина эта продолжает падать с понижением температуры, с каждым градусом на 2,1*103 Дж/кг. Вот и еще один парадокс — чем холоднее лед, тем легче его растопить.

Скрытая теплота плавления льда оберегает нашу планету от наводнений. Таяние льда и снега связано с огромными тепловыми затратами, поэтому процесс этот происходит постепенно и паводковые воды сходят медленно, не причиняя вреда. Лишь в исключительных случаях, когда среднегодовая температура воздуха резко повышается и это совпадает с очень снежной зимой, процесс таяния становится весьма интенсивным и приобретает угрожающие масштабы.

На испарение 1 кг воды расходуется 2254*103 Дж. Из 19 веществ, приведенных в Справочнике химика, только 7 имеют теплоту парообразования выше 400*103 Дж/кг: пиридин, анилин, серная кислота, ацетон, этиловый спирт, метиловый спирт и вода. Причем теплота парообразования воды удивительно высока и более чем в 2 раза превосходит теплоту парообразования любого из указанных веществ.

Таким образом, на испарение воды затрачивается в 7 раз больше теплоты, чем на плавление льда. Вот и найден выход для сохранения воды на Земле. Даже в самые жаркие дни и не в меру жаркие годы вода испаряется крайне медленно. Теплота плавления льда и теплота парообразования способствуют постепенным температурным переходам от лета к осени, от зимы к весне и, по существу, определяют все четыре времени года с характерными для каждого сезона температурными изменениями.

Но это не все особенности воды и льда. Если растопить лед и получить воду, то можно легко убедиться в том, что для повышения температуры воды хотя бы на 1° необходимо некоторое количество теплоты (тепла). Здесь проявляется еще одно необычайное свойство воды — ее очень высокая удельная теплоемкость (величина, показывающая, сколько надо затратить теплоты для нагревания 1 г воды на 1 0C или 1 кг воды на 1 К (Кельвина). Оказывается, на это затрачивается 4,1868 • 103 Дж/(кг-К).

Благодаря высокой удельной теплоемкости воды Hi континентах не происходит резкого перепада темпера тур зимой и летом, ночью и днем, поскольку они окружены гигантским регулятором, своеобразным термостатом — водами Мирового океана. Летом он не дает Земле перегреваться, а зимой постоянно снабжает континенты теплом. Страны, расположенные вблизи океана, обладают мягким морским климатом, и перепады температуры там в различные сезоны бывают не очень значительными.

В переносе тепла от экватора к полюсам огромную роль играют океанские течения, а также мощные атмосферные потоки, содержащие значительное количество теплоты, поглощенной в процессе парообразования; следовательно, при конденсации пара идет выделение тепла в эквивалентных количествах. Наша планета в процессе конденсации водяного пара получает до 126*1018 кДж/год, а океанские течения дают ей лишь шестую часть этой величины, т. е. 21 • 1018 кДж/год.

Солнечная энергия, полученная океанами и переносимая течениями, путем испарения воды перераспределяется в системе атмосфера — гидросфера. Поэтому морские течения могут очень сильно влиять на циркуляционные процессы в атмосфере. Таким образом устанавливается тесное взаимодействие между океаном и атмосферой. Теплота, выделяемая при конденсации водяного пара, перераспределяется как атмосферными потоками, так и океанскими течениями. Это еще раз убеждает в исключительной роли воды, и определяющим здесь является ее аномальная удельная теплоемкость.

Велика роль Мирового океана как аккумулятора и транспортировщика энергии, а следовательно, и тепла.

Удельная теплоемкость воды, как уже говорилось, высока по сравнению с другими веществами. Например, удельная теплоемкость растительных масел — 2,094 кДж/(кг*К), ацетона — 2,219, фенола — 2,345, метилового спирта — 2,345, глицерина—2,428, этилового спирта— 2,847, парафина — 2,911, воды — 4,1868, но льда — 2,06 и водяного пара — 2,08 кДж/(кг*К).

Следовательно, удельная теплоемкость воды почти вдвое превышает подобную характеристику для любой из указанных жидкостей. Однако для льда она снижается более чем вдвое по сравнению с водой. Подобная картина наблюдается и для теплоемкости пара. Это можно объяснить тем, что водородные связи легче искажаются и рвутся у воды в жидкой фазе с повышением температуры. Поэтому молекулы, испытывающие колебания и перемещения, начинают поглощать больше тепловой энергии для осуществления различных форм движения, чем молекулы H2O во льду. Причем величина поглощаемой тепловой энергии с ростом температуры меняется в силу, очевидно, некоторых структурных преобразований.

При нагревании вещества теплоемкость, как правило, возрастает. Она различна, скажем, при нагревании вещества от 10 до 110C или от 99 до 1000C, но для любого вещества неизменно повышается с увеличением температуры.

Да, для любого вещества, но не для воды. Вода — исключение. Она ведет себя совершенно по-другому, и здесь не упуская возможности быть оригинальной. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально: от 0 до 37 0C падает, и только от 37 до 1000C начинает повышаться.

зависимость воды

Как только вся вода превращается в пар, кривая достигает значения 2,08; теплоемкость водяного пара приближается к теплоемкости льда. Это, конечно, странно, но еще большая странность в том, что теплоемкость воды минимальных значений достигает около 37 °С. Это нормальная температура тела человека. Именно при температуре 36,6—37 0C сложнейшие биохимические реакции обмена веществ в организме человека наиболее интенсивны. Значит, при этой температуре организм человека находится в наивыгоднейшем энергетическом состоянии.

Расскажем еще об одном курьезе воды.

Вещества — аналоги воды, молекулы которых по химическому составу похожи на воду,— H2S, H2Se, H2Te, т. е. соединения водорода и серы, водорода и селена, водорода и теллура и т. д., при комнатной температуре находятся в газообразном состоянии. Казалось бы, вода, сохрани она такие же свойства, должна бы закипать при температуре —70 0C, а превращаться в лед при —90 0C Эти условия вряд ли способствовали бы развитии жизни на Земле, ведь она должна была бы существовать в интервале температур от —70 до —900C. В таком холоде разве возможна жизнь? А жизнь прекрасна!

точка кипения воды замерзания>

Вспомните слова тонкого и проницательного лирика Федора Тютчева:

Здесь фонтан неутомимый

День и ночь поет в углу

И кропит росой незримой

Очарованную мглу.

Кстати, о росе. Отвлечемся от поэтического образа и, не переставая восхищаться поэзией и природой, пристально всмотримся в росу луговую. Удивительные капельки, играя бликами солнечного света, искрятся по утрам на листьях, в траве, рассыпаются по земле светлым жемчугом. Круглые шарики воды очень упруги.

Что же это за удивительная сила, которая сохраняет капли росы, а поверхностный слой воды в любой лужице делает эластичным и относительно прочным?

Известно, что если стальную иголку осторожно положить на поверхность воды, налитой в блюдце, то иголка не тонет. А ведь удельная масса металла значительно больше, чем у воды. Молекулы воды связаны силами поверхностного натяжения. Если бы удалось заглянуть внутрь капли, то можно было бы увидеть, что силы, действующие между молекулами, уравновешивают друг друга. Это, однако, не относится к поверхностному слою молекул, которые располагаются на границе вода — воздух. На поверхности силы межмолекулярного притяжения действуют только с одной стороны и как бы стягивают поверхность жидкости.

На границе двух сред осуществляется сложный переход, где нет равномерного распределения молекул, а если забежать вперед, то можно сказать, что здесь молекулы воды имеют несимметричную конфигурацию зарядов. Именно этот фактор приводит к аномально высокому взаимодействию сил, равнодействующая которых направлена к центру «сферы» молекулы воды. Молекулы как бы «примагничивают» друг друга и стремятся втянуться внутрь от поверхностного слоя. Поэтому вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму, как, например, капли дождя, мыльный пузырь и т. д. Силы поверхностного натяжения настолько велики, что две смоченные водой пластинки из стекла удается разъединить только с помощью огромных усилий. Поверхностное натяжение воды 72 мН/м (миллиньютон на метр).

Физики, произведя расчеты, пришли к выводу, что абсолютно чистая вода, не содержащая никаких примесей и растворенных газов, обладает феноменальным поверхностным натяжением.

Какая же сила потребуется, чтобы разорвать столбик такой воды? Как подсчитали теоретики, чтобы разорвать столбик диаметром 3 см, необходимо приложить силу, равную 1001,9 кН (килоньютон), или 1 001 900 H (ньютон). Поскольку сила равна произведению ускорения на массу (f = ат), то при условии a = 9,872 м/с2 получим массу т = f/а = 1 001 900 : 9,872 = 101 500 кг, т. е. почти 100 т. Вот какую гирю надо прикрепить к столбику из идеально чистой воды, чтобы преодолеть силу поверхностного натяжения. Это ни много ни мало, а большой груженый пульмановский вагон.

Абсолютно чистая вода не кипит, даже если ее нагреть выше температуры кипения на несколько десятков градусов. Она не замерзает при температуре ниже 0 0C. Но такой воды в природе нет, да и в лабораторных условиях ее пока получить невозможно.

Вода благодаря большому поверхностному натяжению легко поднимается по капиллярным каналам на поверхность Земли, движется в тканях растений и в клетках живых организмов. Силы поверхностного натяжения защищают каждую каплю воды от внешних воздействий, стремящихся ее разрушить.

Из всех известных в настоящее время жидкостей силы поверхностного натяжения воды по своей прочности уступают только ртути ( — 500 мН/м).

Оригинальна и еще одна характеристика воды — ее вязкость. Обычно с повышением давления вязкость вещества увеличивается, а с ростом температуры уменьшается. Вода и здесь шагает не в ногу со всеми. Ее вязкость при температурах ниже 30 0C с ростом давления значительно уменьшается. По мере повышения давления вязкость воды проходит через минимум и только потом увеличивается.

Наша летопись о необычных свойствах воды окажется неполной, если мы не расскажем о способности воды растворять любые вещества. Предполагается, что в морской воде присутствуют все элементы таблицы Менделеева. В настоящее время их обнаружено уже около 80.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *