Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Теплоемкость воды

Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1°, достаточно, чтобы нагреть на 1° 9,25 г железа, 10,3 г меди. Аномально высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.

Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.

Теплоемкость воды (1 кал), кстати, в 2 раза больше теплоемкости льда (0,5 кал), а для всех других веществ плавление почти не сказывается на этой величине.

Почему в случае воды эта величина демонстрирует столь большое значение? Удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному грамму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус Цельсия. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H₂O, им нужно почему-то сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H₂O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. И во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H₂O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.

Вода, как и все вещества, обладает скрытой теплотой плавления и теплотой парообразования. Эти понятия были введены в научную практику еще в 1757 г. Дж.Блэком. Позднее академик В.И.Вернадский данные параметры воды рассматривал как константы планетарного значения, т.к. их аномально высокие значения определяют многие физико-химические и биологические процессы на Земле. Весьма интересно меняется скрытая теплота плавления льда при понижении его температуры. Оказывается, если охладить лед при нормальном давлении от 0 до – 7 °С, то количество теплоты, затрачиваемой на его плавление, уменьшается с 333,7•10³ до 323•10³ Дж/кг. Величина эта продолжает падать с понижением температуры – с каждым градусом на 2,1•10³ Дж/кг. Вот и еще один парадокс – чем холоднее лед, тем легче его растопить. Высокая скрытая теплота плавления льда оберегает нашу планету от наводнения. Таяние льда и снега связано с огромными тепловыми затратами, поэтому процесс происходит постепенно, в большинстве случаев не причиняя вреда природе.

• На испарение 1 кг воды расходуется 2254•10³ Дж, т.е. приблизительно в 7 раз больше, чем на плавление 1кг льда, в этом причина сохранения воды на Земле. Даже в самые жаркие дни она испаряется крайне медленно. Только поэтому сезоны года меняются не резко, а плавно: лето – осень – зима – весна. В 2008 г. ученые отметили, что в связи с изменением климата на планете начал более активно таять многовековой лед в районах вечной мерзлоты. Данный слой льда сдерживает поступление в атмосферу метана из недр земли. Известно, что этот газ вносит свою лепту в парниковый эффект. Из-за таяния глубинного льда в северных широтах ученые прогнозируют дальнейшее потепление на Земле.

• Вода имеет высокую удельную теплоемкость. Эта величина показывает, сколько теплоты надо затратить для нагревания 1 кг воды на 1 К (кельвин). Оказывается, на это затрачивается 4,1868•10³ Дж/(кг•К). Из-за высокой удельной теплоемкости воды на континентах не бывает резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку они окружены гигантским регулятором, своеобразным термостатом – водами Мирового океана.

• При нагревании всех веществ теплоемкость их, как правило, возрастает, но вода – исключение. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально: от 0 до 37 °С теплоемкость падает и только от 37 до 100 °С повышается. Значит, теплоемкость воды достигает минимального значения около 37 °С, т.е. вблизи нормальной температуры тела человека, благоприятной для биохимических реакций.