145862 (Вода и ее применение в современных технологиях), страница 2

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.

1.3Точки 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.

1.4Теплота 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.

1.5Поверхностное 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

П
однимается 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.

1.6Теплоемкость 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.