35
ства, благодаря которых смягчаются жара и холод на Земле, рыбы могут zmовать в водоемах, человек ползуется «мостами изю льда»…
Рассмотрим некоторые из этих свойств.
Вода относится к тем редким веществом, которые в обычных условиях нашей жизни встречаются и в виде твердого тела, и в виде жидкости, и в виде газа. Многие ли из вас видели, например, твердый бензин (температура его плавления ниже — 60°С)? Жидкое железо мы можем увидеть только во время эскурсии на металлургический завод, а жидкий воздух — в специальных laboratorиях. А вот воду мы хорошо знаем во всех трех состояниях. Зимой, стоя на берегу реки, мы видим лед — твердое состояние воды, видим в проруби воду, выдыхаем вместе с воддухом водяной пар (он невидим).
Известно, что все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении скимиются. Это относится к воде. Именно этим обьясняется, например, прогревание воды способом конвекции. Но если пронаблюдать расшириние и скатие воды при изменении ее температуры более тщательно, то мы заметим особенность воды, имеющую большое значение для человека.
Представьте себе, что в двух одинаковых колбах налиты жидкости. В одной колбе — вода, в другой — любая другая жидкость, скажем бензин, и обе жидкости имеют одинаковую температуру, например, 15°С. Будем постепенно охлаждать эти жидкости до 0°С. Сначала вода не проявит никаких «чудес», обе жидкости будут скиматься. Но после того как температура жидкости становится равной 4°С, бензин будет продолжать скиматься, а вода становится расширяться!
Рассмотрим обратный процесс: будем нагревать эти жидкости от 0°С. Бензин (и другие жидкости) будет только расширяться, а вода сначала сокмется, а лишь после 4°С начинает расширяться, то есть поведет себя как остальные жидкости.
Вы можете продолжать опыт, доказывающий это удивительное свойство воды. Налейте в банку или в стекан примерно до половины высоты холодной воды (по возможности, воду возьмите похолоднее, но не холоднее 4°С) и опустите в воду термометр, который может изменять температуру от 0°С и выше (годится, например, школьный лабораторный термометр или комнатный). Резервар термометра должен находиться в близке к холоду, если вы укрепите термометр так, чтобы его можно было двигать только вверх и вниз). Теперь осторожно помещите на поверхности воды небольшие кусочки льда слоем 2—4 см и наблюдайте за показаниями термометра. Термометра будет понжаться, но когда она станет близкой к 4°С (она может отличаться на 1—1,5°, это зависит от качества термометра, то есть его «класса», от наличия приcesей в воде и других прицин), вы увидите, что столбик термометра оставится. Убедитесь, что он остается неподвижным, а затем осторожно поднимайте термометр так, чтобы его резервар оказался в верхнем слое воды, где находится лед. Вы увидите, что там температура близка к 0°С. В процессе опита вам, может быть, придется добавлять лед; делайте это осторожно, чтобы он не опускался вниз и не перемешивать с нижними слоями воды.
36
Из наших наблюдений следует, что наиболее плотность вода имеет при 4 °C, при нагревании выше этой температуры и при охлаждении ниже плотность воды уменьшается. Это свойство пресной воды (морская вода им не обладает) носит название аномали теллового расширения (анomalия — неправильность, отклонение от общей закономерности).
На рисунке 1 изображен график зависимости объема воды от температуры (для 1 г воды). Пользовим им, построите график зависимости плотности воды от температуры.
Благодаря аномали теллового расширения воды водоемы с пресной водой не промерзают зимой до дня. По мере наступления холодов воздуха над озером, рекой или прудом постепенно охлаждается. Охлаждается и соррикающийся с ним верхний слой воды. По мере оставления он становится плотнее и опускается на дно — тоет в менее плотной теплой воде. Постепенно придонный слой воды становится все холоднее, и наконец температура его достигает 4 °C. Лежащие над ним воды продолжают охладаться от 4 °C до 0 °C, но теперь уже плотность их становится меньше, и они не опускаются выше. Поэтому на дне водоема и зимой сохраняется сравнительно теплый слой воды, в котором и зимуют рыбы, рачки, водоросли.
Но на этом «чудеса» не кончаются, вода не скупится на сюрпризы.
Возьмите две пробирки (или маленькие стеклянные пузырыки) и налейте в одну из них воды, а в другой — расплавленный водок или стеарин. Воск оставьте в комнате — он быстро застенет, а воду придется
Temperature graph
Рис. 1.
вынсти на мороз или помещить в морозильную камеру холодильника, чтобы она обратилась в лед. И снова вода удивит нас! Воск в процессе отвердания созметя, на его поверхности образуется глубокая водонка. А на поверхности льда вы видите выпуклость (а если пузырек был наполен водой доверху и закрыт, то лед его даже разорвет).
Сделаем вывод: при переходе воды из жидкого состояния в твердое плотность ее уменьшается — ведь объем ее увеличивается при неизменной массе. У воды, как и у большинства веществ, наоборот, плотность при отвердаении увеличилась.
Благодаря этой особенности воды лед, покрывающий зимой поверхность озера, не опускается на дно, не тонет. Если бы он не имел свойство озера, то аномали теллового расширения воды не принесла бы ползы, водоемы промерзали бы до дна. То, что вода имеет наиболее плотность при 4 °C и что она расширяется при отвердаении, приводит к таким окончательному распределению температур в водоемах, какое показано на рисунке 2.
Возникает, однако, вопрос: почему не выравнивается температура воды в водоеме? Почему за долгуную зиму водоемы все же не охлаждаются до дна за счет теплопроводности? Это объясняется тем, что вода имеет очень малую, или, как говорят, плохуую теплопроводность.
Слой воды толщиной в 1 м и площадью в 1 м² при разности температуры его поверхности, равной 1 °C, передает за одну секунду от более нагретий к менее нагретий поверхности 0,58 Дж энергии. Эта величины — 0,58 Дж/(м³·°C·с) — называется коэффициентом теплопроводности воды. Для сравнения указываем значения коэффициентов теплопроводности меди — 395 Дж/(м³·°C·с) (в 660 раз больше, чем воды), а минница — 204 Дж/(м³·°C·с).
Плохо проводит тепло и лед. А если поверх льда лежит еще и свежей плавшей снег, а он состоит из мелких кристалликов льда, между которых находится воздуха, — совсем плохой проводник тепла, имеющий коэффициент теплопроводности
37
0,023 Дж/(м³·°C·с), — то уж такая «шуба» надежно укрывает от мороза нижние слоны воды в глубоких водоемах.
Обсуждим еще одно замечательное свойство воды. Посмотрите таблицу удельных теплоемкости тела (учебник для 6—7 классов). Самая большая удельная теплоемкость у воды! Чтоы нагреть 1 кг ее на 1 °C необходимо 4200 Дж энергии. Для керосина при тех же условиях необходимо 2100 Дж, а для других — 140 Дж. Значит, и остывая на один градус, килограмм воды отдаст окружающим телам в два раза больше энергии, чем керосин, и в 30 раз больше, чем ртути. Поэтому при повышении грекой не только проще всего, но и выгоднее всего заполнять ее обычной водой.
Подсчитайте, какое количество теплла выделится при остывании грекки с объемом 2 л, от 100 °C до 20 °C в двух случаях: когда грекка заполнен водой и когда она заполнена растительным маслом (плотность воды 1000 кг/м³, масла — 900 кг/м³, их удельные теплоемкости, соответственно, 4200 Дж/(кг·°C) и 2000 Дж/(кг·°C).
А теперь рассмотрим это явление в других масштабах. Летом, в теплую погоду, количество тепллоты, поглощаемое от окружащего воздуха водами океанов, морей, больших озер, настоящего значительного чего смягчает жара в тех местах суши, которые лежат в близи больших водоемов. Наступает зима, и вода, остывая, отдает воздух это громадное количество тепллоты. Поэтому зима в таких местах Земли не столь сурова, как в других, лежащих на тех же шипотах.
Подсчитаем, например, какое количество тепллоты отдает Черное море при смене времени года от лета к зиме. Наблюдения показывают, что средняя температура поверхностных воды Черного моря летом около 25 °C, а зимой около 7 °C. Площадь его поверхности приблизительно равна 420 000 км², а средняя глубина — около 1200 м.
Объем воды в море
Подсчитаем массу воды, зная, что плотность морской воды равна 1030 кг/м³:
Удельная теплоемкость морской воды 4000 Дж/(кг·°C). Следовательно, общее количество тепллоты, которое отдает море, остывая, равно:
Подсчитайте сами, сколько нужно было бы сжечь каменного угля, чтобы получить такое количество тепллоты.
Воду применяют в качестве охлаditеля для dwигателей внутреннего сортания и реакторов потому, что она поглощает много теплла при нагревании.
Вода хорошо расторяет многое вещество, и поэтому можно сделать и соленой, и сладкой. Температура кипения воды такова, что в ней можно сварить большинство потребляемых человеком продуктов… Мы предлагаем вам посмотреть еще и таблицу удельных тепллот парообразования веществ, убедиться, что из всех веществ, указанных в ней, вода имеет наиболее уделную теплоту, и подумать — какие выгоды (а может быть, неудобства?) приносит это человеку.