увеличивается, а, наоборот, сокращается. Максимальная плотность отмечается

при 4°С (рис. 3). Таким образом, для воды зависимость между объемом и

температурой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ),

а двузначна. Например, при 3 и 5°С масса воды занимает один и тот же объем,

так же как и при 0, 2 и 8 °С и т. д. Несмотря на указанную аномалию, вода

служит эталоном плотности при 4°С, когда 1 см3 ее имеет массу 1 г.

Что же будет происходить с объемом воды при дальнейшем понижении

температуры? Оказывается, что ниже 0°С он продолжает увеличиваться, но

только при условии переохлаждения. Однако переохлаждение требует

исключительных условий: полной неподвижности воды и отсутствия центров

кристаллизации льда (пыли, кристалликов льда и т. п.) (рис. 4).

Вода, лишенная растворенных газов, может быть переохлаждена до минус

70 °С без превращения в лед. При легком встряхивании либо при введении

льдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превращается в лед

и температура ее подскакивает (на 70 °С) до 0°С. Вода также может быть

доведена до 150 °С без закипания. При введении в такую перегретую воду

пузырька воздуха она мгновенно вскипает, и температура ее падает до 100°С.

При замерзании объем воды возрастает внезапно примерно на 11% и так

же внезапно, скачком, уменьшается в обратном направлении при таянии льда

при

превращении ее в лед происходит расширение объема, что приводит к

возникновению избыточного давления, достигающего, как показывают

наблюдения, 2500 кгс/см2. Именно этим объясняются как разрушительная сила

замерзающей воды в замкнутых пустотах, трещинах горных пород, откалывающая

подчас многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мелкие осколки, так

и страшные взрывы наледей, описание которых будет приведено ниже, а также

разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.

Здесь следует сделать одну существенную оговорку. Все рассмотренные

выше процессы происходят при указанных температурах лишь при условии

абсолютного давления, равного 1 атм. С увеличением давления температура

замерзания воды понижается примерно на 1 °С через каждые 130 атм. Так, при

давлении 500 атм замерзание наступает при температуре минус 4 °С, а при

давлении 2200 атм — при минус 22 °С. Эта зависимость для воды аномальна,

так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура

замерзания повышается. Подобная аномалия воды очень важна в природе. Даже

без учета растворенных в воде солей на больших глубинах в океане вода не

замерзает, например при температуре минус 3°С она не замерзнет даже на

глубине около 4000 м, а на больших глубинах тем более.

С повышением температуры жидкой воды ее плотность понижается: на

интервале от максимальной плотности при 4°С, равной 1, до точки кипения

воды 100 "С—на 4% (от 1 до 0,95838).

С повышением минерализации воды (т. е. количества содержащихся в ней

минеральных веществ) повышается и температура, при которой вода имеет

максимальную плотность. Так, на поверхности Мирового океана плотность воды

1,02813, а на глубине 10км 1,07104 (разница 0,04291, или 4%). Таким

образом, установившееся мнение о практической несжимаемости воды

справедливо только для сравнительно малых давлений. Если бы вода была

совершенно несжимаема, уровень океана поднялся бы на 30 м.

В этом случае большая часть Ленинграда, например, была бы затоплена.

Важным обстоятельством в природе является то, что максимальная

плотность воды, как отмечалось выше, наблюдается при 4 °С, а лед

оказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверхности. Если бы

этого не было, то водоемы и водотоки промерзали бы зимой до самого дна, что

было бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта

особенность воды при некоторых условиях имеет исключения. Речь идет о

возможности образования донного или внутриводного льда, о чем подробнее

будет сказано в разделе о поверхностных водах.

3 Точки кипения и замерзания (плавления).

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой

зависимости от давления: с увеличением давления она возрастает (рис. 5).

Это свойство воды раньше использовалось для определения высоты местности в

горах. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде

растворенных веществ.

Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания

(плавления) воды, с повышением давления она падает (но только до давления

2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды

начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380

атм—при 0°С, при 16500 атм—при 60, а при 20 670 атм — при 76 °С. В

последних двух случаях мы уже имеем горячие льды. Возможно ли существование

в земных недрах сочетания таких температур и давлений? В свободно

циркулирующих в породах Земли водах, безусловно, нет, так как даже на

границе нижней литосферы и верхней мантии, называемой границей Мохоровичича

(как мы увидим из дальнейших глав), где давление приблизительно 10000 атм,

температура никак не может быть равна 30 "С,

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).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5