Вода и ее применение в современных технологиях

а всегда и везде будет значительно выше. Таким Образом, встреча горячего

льда здесь исключается. Выше же границы Мохоровичича совершенно исключаются

давления выше 6000 атм, которые необходимы для образования горячего льда.

При давлении 1 атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения

воды (соответственно 0 и 100°С). Если взять ряд соединений водорода с

элементами группы Via периодической системы Менделеева — Н2Те, H2Se H2S и

H2O — с учетом их относительной молекулярной массы, то окажется, что точки

замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, общую для трех

других соединений, у которых чем больше относительная молекулярная масса,

тем выше точки кипения и замерзания. Точка замерзания воды должна была бы

находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительности она

приходится на ±0 °С. То же самое можно сказать о точке кипения воды,

которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 5).

При нормальном давлении вода может «замер-рать» и при положительной

температуре. Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по

нему газ (в основном метан) плохо осушен, т.е. в нем присутствует вода.

Объем молекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно

больше, что приводит к понижению внутреннего давления и к повышению

температуры замерзания от нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед»

содержит много газа (газогидрат).

Сам факт существования воды в обычных для земной поверхности

термодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и

газообразной) делает это вещество крайне удивительным и необыкновенным.

4 Теплота плавления.

Познакомимся с еще одной аномалией воды, называемой, может быть, не

очень удачно «скрытой теплотой плавления воды». У воды она очень высока —

около 80 кал/г (для сравнения «скрытая» теплота плавления чистого железа —

6, серы—9,5 и свинца—5,5 кал/г). Как же проявляется эта аномалия? Лед при

давлении 1 атм может иметь температуру от минус 1 до минус 7°С. Казалось

бы, чем ниже температура льда, тем больше потребуется тепла, для того чтобы

растопить его. Этот вывод как будто настолько естествен, что непосвященный

в физику тепла вряд ли станет его оспаривать. Но, оказывается, этот вывод

не бесспорен. Например, при температуре льда 7°С ниже нуля скрытая теплота

плавления составит не 80, а только 76 кал/г! Вот это уже бесспорная и

довольно неожиданная аномалия. С каждым градусом понижения температуры льда

теплота плавления уменьшается чуть ли не на полкалории. Объясняется это

тем, что удельная теплоемкость у льда меньше, чем у воды.

Скрытая теплота парообразования (539 кал/г) почти в 7 раз выше, чем

скрытая теплота плавления. Чтобы превратить жидкую воду с температурой 100

°С в пар с такой же температурой, нужно затратить поистине гигантскую

энергию, в то время как '/з этой энергии вполне достаточно, чтобы

превратить в пар спирт, и '/в, чтобы жидкую ртуть сделать парообразной.

Можете теперь себе представить, какой громадной внутренней энергией в

скрытой форме обладает водяной пар, и это только при 100 °С! А если его

нагреть до 500 °С, то 1 г его потенциально будет содержать порядка 1000 кал

тепла. К сожалению, реализовать эту скрытую энергию практически очень

трудно.

Как известно, пар используется в паровых машинах, которых становится

все меньше и меньше из-за исключительно низкого (ниже) к. п. д. и не только

в силу невозместимых естественных потерь на трение, излучение,

теплопроводность и других, но и по причинам малой разности температур между

границами существования воды, а также малого контраста между температурой

окружающего воздуха и точкой парообразования. Эти обстоятельства в

настоящее время заставляют заменить паровые двигатели двигателями

внутреннего сгорания, электрическими и другими.

Что же касается скрытой теплоты парообразования, то тут аномальности

не наблюдается. Чем холоднее жидкая вода, тем больший приток тепла нужен

ей, чтобы обратить ее в пар. Так, при 0°С теплота парообразования 587 кал,

при 50 °С — 568, а при 100 °С — 536, при 150 °С — 446 кал.

5 Поверхностное натяжение и прилипание.

Поверхностное натяжение — это способность пограничных молекул воды, а

также твердых тел сцепляться, «стягиваться», самоуплотняться (когезия). На

поверхности воды образуются сцепления молекул, создающие пленку натяжения,

для разрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать,

не погружаясь в воду, предметы, которые в 8 раз и более тяжелее воды,

например лезвие безопасной бритвы, иголка и др. Поверхностное натяжение

воды при 18°С составляет 72 дин/см— это очень высокое значение (сравните:

для спирта оно составляет 22, для ацетона 24, для бензина 29 дин/см).

Только ртуть имеет еще более высокое поверхностное натяжение — 500 дин/см.

Теоретически установлено, что для разрыва столбика чистой воды

диаметром 2,5 см потребуется приложить усилие 95 те. Поскольку, как уже

упоминалось выше, совершенно чистой воды в природе нет, да и в лабораторных

условиях получить ее почти невозможно, то в условиях эксперимента с не

совсем чистой водой для разрыва столбика воды сечением 6,5 см2 потребуется

усилие в пределах «только» 1 те, что близко к прочности стали.

У воды есть и еще одно удивительное свойство — «прилипание»

(адгезия), которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах),

где вода

Поднимается вверх вопреки силам притяжения (гравитации). В таких

трубках сочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом

слое со способностью воды смачивать стекло, «прилипать» к нему. В

результате в капилляре образуется вогнутая поверхность выше естественного

уровня воды. У ртути, обладающей более высоким поверхностным натяжением,

адгезия отсутствует, поэтому ртуть в капиллярной трубке имеет не вогнутую,

а выпуклую поверхность. Необходимо заметить, что к поверхностям, покрытым

жировым слоем, например парафином, вода не прилипает и мениск ее в

капилляре, подобно мениску ртути, будет не вогнутый, а выпуклый.

Существует понятие капиллярной постоянной, которая равна произведению

высоты подъема жидкости на радиус капилляра. Капиллярная постоянная для

чистой воды линейно уменьшается с увеличением температуры, а при достижении

критической (см. ниже) становится равной нулю. Предельная высота

капиллярного подъема воды при 15 °С составит в крупном песке около 2, в

мелком 1,2 м, а в чистой глине 12 м, причем продолжительность подъема для

крупных капилляров—5—10 суток, а для мелких до 16 месяцев.

6 Теплоемкость воды.

Остановимся на следующей аномалии воды, которая связана с ее

теплоемкостью. Теплоемкость воды сама по себе не аномальна, но она в 5—30

раз выше, чем у других веществ. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды,

удельная теплоемкость с повышением температуры возрастает. У воды же

удельная теплоемкость в интервале температур от 0 до 35 °С. падает, а затем

начинает возрастать (рис. 6).

Удельная теплоемкость воды при 16 °С условно принята за 1 и служит,

таким образом, эталоном меры для других веществ. Как и плотность, удельная

теплоемкость воды в зависимости от температуры не однозначна, а двузначна.

Например, при 25 и при 50 °С она одинакова — 0,99800 кал/(г-°С).

Теплоемкость льда на интервале от 0 до минус 20 °С в среднем 0,5 кал/(г-

°С), т. е. в два раза меньше, чем у

Только водород и аммиак обладают большей, чем вода, теплоемкостью.

жидкой воды. Удельная теплоемкость спирта и глицерина—0,3 (в три раза

меньше, чем у воды), железа—0,1, платины—0,03, дерева—0,6, а каменной соли

и песка—0,2 кал/(г-°С). В связи со сказанным выше становится попятным,

почему при одинаковом получении солнечного тепла вода в водоеме нагреется в

b раз меньше, чем сухая песчаная почва на берегу, но при этом вода во

столько же раз дольше будет сохранять тепло, нежели песок. Любопытно, что

теплоемкость воды в переохлажденном состоянии (например, при - 7,5 °С) на

2% выше, чем при той же температуре, но уже в кристаллическом состоянии.

Мы ежедневно слышим по радио сообщения об атмосферном давлении

воздуха (наряду с сообщением о температуре, влажности, силе ветра и т. д.),

нормальное значение которого для высоты Ленинграда над уровнем моря 760 мм

рт. ст., а для Москвы, лежащей выше уровня моря на 124 м, 758 мм рт. ст. Мы

все привыкли к тому, что при падении давления ниже нормы можно ожидать

дождя, а при подъеме выше нормы – сухой погоды. Хотя с метеорологической

точки зрения сухая и влажная погода определяются комплексом условий, а не

одним только давлением. Многие люди, вероятно, помнят, что на старых

анероидах помимо шкалы с делениями на миллиметры ртутного столба, были

надписи: «великая сушь», «сушь», что отвечало давлению, превышающему норму,

для данной местности, «переменно» — для нормального давления, «дождь»,

«буря» — для давления ниже нормы.

Вдумайтесь в сказанное. Ведь конденсация водяных паров в жидкость по

законам физики должна происходить при увеличении давления, а при его

падении процесс должен протекать в обратном направлении, т. е. жидкость

должна превращаться в пар. В чем же здесь дело? Для ответа нам придется

рассмотреть особенности удельной теплоемкости паров воды. При давлении 1

атм и температуре 100 °С из 1 л воды образуется 1600 л пара. Для

определения удельной теплоемкости пара ограничим его состояние двумя

случаями: пар находится либо в замкнутом объеме, либо в сосуде, позволяющем

пару расширяться при передаче ему тепла при сохранении постоянного

давления. В последнем случае температура и объем меняются.

Теплоемкость пара для принятых условий разная, и эта разница весьма

существенна, причем не только для воды, но и для многих других веществ,

например у ртути до 20%. Но при этом у воды обнаруживается аномалия: при

4°С теплоемкость в обоих случаях одинакова и лишь с повышением температуры

она становится разной. При этом минимальная теплоемкость наблюдается при

постоянном давлении и при температуре 27 °С, а при постоянном объеме такого

минимума не наблюдается и с повышением температуры теплоемкость постепенно

снижается. Заметим, что одна и та же масса воды, находящейся в парообразном

состоянии, может быть нагрета в два-три раза легче, чем та же масса жидкой

водой. Еще раз напомним, что объемы этих двух фаз воды относятся друг к

другу, как 1600 : 1.

А теперь рассмотрим эти же два случая (определение теплоемкости при

постоянном объеме и при постоянном давлении) для насыщенного пара. В

принятых нами условиях возможно изменение температуры и превращается в

мельчайшие капельки тумана.

Проведем с насыщенным паром, следующий опыт. Сосуд с насыщенным паром

защитим от случайного поступления или потери тепла (теплоизолируем). При

изменении давления в сосуде, казалось, можно ожидать один из двух случаев:

либо при повышении давления (и уменьшении объема пара) он станет

перенасыщенным с образованием тумана, либо в результате увеличения

температуры он перегреется. Что же надо сделать, чтобы привести пар в

первичное состояние? При перенасыщении его следует дополнительно нагреть

(т. е. сообщить положительное количество тепла), при недонасыщении нужно от

него отнять тепло, охладить (т. е. сообщить ему отрицательное количество

тепла). В первом случае теплоемкость будет положительной, а во втором

отрицательной. И вот в действительности оказывается, что теплоемкость

насыщенного водяного пара при всех температурах и давлениях всегда

отрицательная!

Этот поразительный и малопонятный результат эксперимента имеет место

не только в лабораторных условиях, но и в природе. При повышении давления

водяной газ (пар) не образует тумана и остается прозрачным, а при

разрежении туман образуется. Правда, последнее происходит при наличии

центров конденсации (пылинок), но их в атмосфере всегда достаточно.

Помимо описанных аномалий у этого удивительного вещества, каким

является вода, существуют и другие аномалии (например, аномальная

дисперсия, рассеяние, в области электрических и световых лучей и др.), но

на них, чтобы не утруждать читателя, мы останавливаться не будем.

7 Испарение, транспирация, сублимация и конденсация.

Общеизвестно, что испарение—переход вещества из жидкого или твердого

состояния в газообразное (в пар). Обычно под испарением жидкости понимают

превращение ее в пар, а испарение твердых тел называется сублимацией (или

возгонкой). Обратный процесс, т. е. переход вещества из газообразного

состояния в жидкое, именуется конденсацией. Испарение воды с поверхности

растений носит название транспирации.

При испарении молекулы переходят из жидкости в пар, преодолевая силы

молекулярного сцепления в жидкости. Процесс испарения протекает

изотермически, т. е. при постоянной температуре. Скорость испарения

определяется массой жидкости, испаряющейся за единицу времени с единицы

поверхности. Одной из количественных характеристик процесса испарения воды

в атмосферу является дефицит влажности, определяемый разностью между

предельной упругостью водяного пара для данной температуры и фактической

упругостью.

Если воздух в помещении полностью насыщен парами воды или если из

наполненного до краев стакана вода не убывает, но и не прибывает, это

значит, что испарение отсутствует, т. е. мы имеем состояние динамического

равновесия.

До последнего времени считалось, что лед может переходить в пар,

минуя жидкую фазу, т. е. Происходит процесс сублимации. Однако последние

более детальные исследования показали, что это далеко не так. В

действительности поверхность льда покрыта даже при отрицательных

температурах переохлажденной квазижидкой пленкой связанной воды. Таким

образом, испаряется не лед, а непрерывно пополняющаяся пленочная жидкая

вода за счет подплавления льда. Это обстоятельство имеет очень большое

народнохозяйственное значение при строительстве самых разнообразных

подземных хранилищ в условиях многолетнемерзлых грунтов.

8 Твердая вода.

Когда произносят слово «вода», то подразумевают обычно, что речь

идет о жидкости. Но вода часто находится в твердом состоянии — в виде льда.

В первой четверти нашего века немецкий химик Г. Тамман и американский

физик П. Бриджмен выявили шесть разновидностей льда, различающихся

давлениями и температурами (рис. 7):

Лед I - обыкновенный лед, существующий при давлении до 2200 аты, устойчивый

в нормальных условиях, при дальнейшем повышении давления (выше 2200

атм) переходит в разновидность II.

Лед II-с уменьшением объема на 18—20% тонет в воде, его плотность 1,2 г/см3

(при 0°С), очень неустойчив, легко переходит в модификацию III.

Лед III - также тяжелее воды (его плотность больше плотности льда I, из

которого непосредственно может быть получена описываемая модификация,

на 5%).

Лед IV -легче воды, существует при небольшом давлении и температуре немного

ниже О "С, неустойчив и легко переходит в разновидность I.

Лед V — может существовать при давлении от 3,6 до 6,3 кбар, его плотность

выше плотности льда III на 5,5 и воды на 6%.

Лед VI -может быть получен непосредственно из воды при температуре 60 °С и

давлении 16,5 кбар (при давлении 21 кбар температура этой модификации

льда 76 "С), его плотность выше плотности льда V на 4 и воды на 6%.

Эти шесть модификаций льда образуют резко различные полимерные

группы. В одну группу могут быть включены льды, которые легче вод (лед I,

IV), в другую—более тяжелые (лед III, V и VI). При плавлении льды первой

группы сокращаются в объеме, а второй, наоборот, увеличиваются. Различия

между модификациями льда обусловлены не химическими свойствами, а

молекулярным строением льда.

По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторых

случаях так называемого донного льда, о котором подробнее будет идти речь в

дальнейшем.

Как правило, различные модификации льда даже при высоких давлениях по

плотности близки к плотности обычного льда (различия в плотности обычно не

превышают 6%). Однако в астрофизическом центре университета в Толедо (США,

штат Огайо) американскими учеными А. Дальсом и А. Венджером была открыта

сверхплотная модификация льда при температуре ниже минус 173 °С и давлении

(6— 8) -Ю-3 мм рт. ст. Плотность этой модификации 2,3 г/см3 (по плотности

он близок к гнейсу — 2,4 г/см3). Этот лед аморфен и может играть большую

роль в физике планет и комет.

Замерзание природной воды зависит от температуры, давления,

минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава. Так,

при концентрации раствора поваренной соли NaCI 5 г/л он замерзнет при

минус 0,38; 50 г/л — при минус 3,78 и, наконец, 100 г/л—при минус 7,44 °С.

Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняет раствор от замерзания,

происходит процесс вымораживания, которым пользуются, например, при добыче

соли. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегося

жидкого раствора повышается.

Каждой, температуре соответствует вполне определенная концентрация

раствора. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура не упадет до

минус 21,9°С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после

чего раствор затвердеет, образуется эвтектическая смесь кристаллов льда и

Страницы: 1, 2, 3