Реферат: Вода и ее применение в современных технологиях

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.

1.4 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.

1.5 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.

1.6 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).

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.