Вода и ее применение в современных технологиях

Страница 4

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.

1.7 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.

1.8 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 разновидностьII.

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%.