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

соли, называемая криогидратом. По данным Н. Н. Зубова [1945], лед

образуется из морской воды при минерализации 10 г/л при температуре 0,5;

при 100 г/л — при 6,4, а при 260 г/л при минус 23 °С.

Лед очень прозрачен для солнечной энергии, особенно для

ультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошо

пропускает солнечное излучение. Но даже самые тонкие (1—2 мм) слои льда

совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земного

излучения. Эта особенность имеет большое значение для нагревания воды подо

льдом. Теплопроводность льда довольно высокая—53·10-4 кал/ (см · сек · °С);

для сравнения: теплопроводность воды—14, а воздуха— 0,57 кал/(см · сек ·

°С).

излучений и т. д.

9 Серебряная вода и ее применение.

Еще 2500 лет назад персидский царь Кир во время походов пользовался

водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В древней Индии для обезвреживания

воды от патогенной микрофлоры в нее погружали раскаленное серебро.

Многовековой опыт показал, что ионы серебра подавляют размножение многих

бактерий.

Впервые научные наблюдения над серебряной водой в конце XIX в. провел

швейцарский ботаник К. В. Негели. С тех пор во многих странах было

выполнено значительное число работ по изучению эффективных способов ее

получения и применения, выпущена обильная литература о серебряной воде. В

нашей стране разработаны и выпущены в продажу специальные приборы для

получения в домашних условиях электролитического раствора серебра,

Серебряная вода использовалась при полетах космонавтов. В Японии и в США

серебро применяется для обеззараживания воды в плавательных бассейнах, а в

Китае — для производства минеральных и фруктовых вод. Серебряная вода может

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5