Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества
Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене.
Количество теплоты — это энергия, которую тело отдает при теплообмене (без совершения работы). Количество теплоты, как и энергия, измеряется в джоулях (Дж).
Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на $1$ градус.
Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.
От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, $1$ килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева $200$ граммов.
А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой $400$ г, а в другой — растительное масло массой $400$ г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее.
Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.
Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.
Так, например, чтобы увеличить на $1°$С температуру воды массой $1$ кг, требуется количество теплоты, равное $4200$ Дж, а для нагревания на $1°$С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное $1700$ Дж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания $1$ кг вещества на $1°$С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.
У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой $с$ и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг$·°$С)).
Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ Дж/(кг$·°$С).
Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.
Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении
Из вышеизложенного ясно, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит тело (т. е. его удельной теплоемкости), и от массы тела. Ясно также, что количество теплоты зависит от того, на сколько градусов мы собираемся увеличить температуру тела.
Расчет теплоты для нагревания и охлаждения тела
Итак, чтобы определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость тела умножить на его массу и на разность между его конечной и начальной температурами.
Где:
$Q$ — количество теплоты,
$c$ — удельная теплоемкость,
$m$ — масса тела,
$t_1$ — начальная температура,
$t_2$ — конечная температура.
В случае, если известна теплоемкость всего тела $C$, $Q$ определяется по формуле.
Удельная теплота парообразования, плавления, сгорания
Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.
Теплота парообразования равна количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации пара в жидкость.
Удельная теплота парообразования и конденсации: $2.3$ МДж для воды, $0.9$ МДж для спирта.
Удельная теплота парообразования ($r$): выражается в Дж/кг.
Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации), можно рассчитать как: $Q = r \times m$.
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты.
Удельная теплота плавления
Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре (температуре плавления), чтобы перевести его из твердого в жидкое состояние.
- Для расплавления 1 кг льда требуется $332$ Дж, а для расплавления 1 кг свинца — $25$ кДж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.
Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).
Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.
Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:
[Q = m * λ
]
Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком минус:
[Q = -m * λ
]
Удельная теплота сгорания
Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.
Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.
Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1$ кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.
Удельную теплоту сгорания обозначают буквой $q$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты $Q$, выделяющееся при сгорании $m$ кг топлива, определяют по формуле:
[Q = m * q
]
Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.
Уравнение теплового баланса
В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы $∆U_i$ не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,
Уравнение теплового баланса
Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное $i$-м телом. Любое из количеств теплоты $Q_i$ может означать теплоту, выделяемую или поглощаемую при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.
Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.
Вода – ключевой элемент природы
Вода – самое распространенное вещество на нашей планете. Знаменитому русскому ученому В.И.Вернадскому принадлежат слова: Нет земного вещества, минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не включало. Но она же является и самым уникальным веществом.
Жизнь на Земле возникла около 4 млрд лет именно в водной среде. Вода – главный компонент всех живых организмов. Сложно представить, какая сфера жизнедеятельности человека не включает взаимодействие с водой.
Вода – один из важнейших факторов, определяющий природные и климатические условия на планете. Гидросфера стабилизирует тепловой режим, она является мощным поглотителем солнечной энергии. Мировой океан – это легкие нашей планеты. Половина всего кислорода нашей атмосферы производится планктоном океана.
Уникальные свойства воды
Как и любое другое вещество, вода обладает целым рядом свойств, но многие из них являются необычными или даже уникальными. Именно эти свойства обеспечивают жизнь на планете.
До конца 18 века считалось, что вода является неделимым веществом. Только в 1871 году английским ученым Генри Кавендишем было доказано, что вода состоит из двух элементов. Позже французский химик Антуан Лавуазье дал им названия: кислород и водород.
Особенности этих элементов в значительной степени определяют свойства воды. Атом водорода, соединяясь с атомом кислорода, имеет возможность создания так называемых водородных связей, которые оказывают влияние на физические свойства воды в твердом и жидком состоянии.
Структура воды и ее удивительные свойства
Благодаря водородным связям, молекулы воды способны образовывать многомолекулярные структуры – ассоцианты или кластеры. В жидкой воде кластеры постоянно образуются и распадаются, так как молекулы находятся в непрерывном хаотичном движении.
В воде, находящейся в твердом состоянии, молекулярное движение минимально, а число водородных связей максимально. В этих условиях формируются организованные и устойчивые структуры. В твердом состоянии в упорядоченной решетке молекул воды размеры пустот больше, чем в жидкой воде.
Кстати, именно упорядоченностью структуры воды в твердом состоянии объясняется то, что плотность льда меньше, чем плотность жидкой воды. Кристаллизация любого другого вещества, напротив, приводит к увеличению плотности. При медленном таянии льда организованная структура воды сохраняется еще некоторое время. Это и определяет особые свойства талой воды, например, при поливе талой водой всхожесть семян увеличивается, а растения лучше растут.
Этой же способностью сохранять упорядоченную структуру объясняется и так называемая «память» воды. Под воздействием внешних факторов возможно изменение положения одного структурного элемента, входящего в состав кластера. Этот процесс обеспечивает восприимчивость информационной системы воды.
Если степень возмущения не очень высока, полной перестройки структуры воды не происходит, и после спада возмущения примерно через полчаса система возвращается в первоначальное состояние. В том случае, когда энергетическое воздействие оказалось достаточно сильным, происходит изменение расположения структурных элементов воды, и в это новое расположение «встраивается» информация о том воздействии, которое было произведено.
Одно из самых удивительных свойств воды – это ее аномальная плотность при температуре, близкой к условиям замерзания. Известно, что у всех жидкостей при снижении температуры плотность увеличивается, а кристаллы, образованные в результате замерзания, имеют большую плотность, чем плотность жидкости.
Вода является исключением. Она имеет максимальную плотность при температуре 4°C, при дальнейшем снижении температуры плотность тоже снижается. Лед имеет меньшую плотность, чем плотность жидкой воды, поэтому он плавает на ее поверхности. Эта особенность позволяет сохранять жидкую воду под толщей льда.
Если бы вода не обладала эти уникальным свойством, лет постепенно опускался бы на дно, и водоемы промерзали бы полностью. Солнцу уже невозможно было бы за несколько летних месяцев отогреть превратившиеся в сплошную ледяную массу северные моря и океаны. Существование большинства живых организмов во льду стало бы невозможным, климат планеты был бы более сухим и в целом очень суровым.
Ученым известно, что на Земле периодически наступали так называемые ледниковые периоды, но до сих пор не определена однозначная причина того, почему это происходило и какое влияние эти процессы оказали на развитие жизни на планете.
Интересно также отметить, что при плавлении веществ плотность меняется скачкообразно. Так, например, при плавлении металлов плотность их уменьшается, а скачок плотности составляет около 2-4 %. При плавлении льда плотность увеличивается, причем сразу на 10 %. То есть мы наблюдаем аномальность изменения плотности не только по знаку, но и по величине.
Такие свойства воды, как максимальна плотность при 4°С и низкая плотность льда, создают условия для следующих явлений:
— перед замерзанием до 0°С охлаждается не только поверхность воды, но и вся ее масса
— замерзание водоемов происходит сверху вниз, что позволяет нижним слоям воды оставаться в жидком состоянии; замерзшая поверхность отражает солнечный свет обратно и допускает оттаивание
— функцию регулятора плотности выполняет температурная конвекция, она же создает условия для перемешивания водных масс.
Еще одно уникальное свойство воды – ее исключительно высокое поверхностное натяжение на поверхности раздела вода – воздух. Этот показатель при температуре 20°С равен 0,073 Н/м. Более высокое поверхностное натяжение среди всех жидкостей имеет только ртуть.
Поверхностное натяжение стремится к сокращению поверхности жидкости до минимума. Этим механизмом объясняется сферическая форма капли жидкости, так как сфера имеет наименьшую из всех геометрических фигур площадь. Благодаря высоким значениям поверхностного натяжения, дождевые капли обладают упругостью и, как следствие, значительной разрушительной силой.
Довольно часто можно увидеть, как некоторые насекомые, например, водомерки, не только могут передвигаться по поверхности воды, но и использовать ее как опору для «взлета» и «посадки». Удивительно, но живые организмы способны использовать даже внутреннюю сторону водной поверхности. Так, личинки комаров повисают там с помощью специальных щетинок, а прудовики спокойно ползают по ней в поисках добычи.
Поверхность воды способна удерживать даже мелкие металлические предметы (иголки, маленькие монетки). Но и это еще не все. Довольно часто в Интернете можно встретить видеосюжет, в котором ящерица стремительно убегает от преследующей ее змеи прямо по поверхности воды. Следует учесть, что вес подобной ящерицы может достигать 600 г!
Одним из проявлений поверхностного натяжения воды является свойство смачивания. Этот процесс происходит при взаимодействии молекул воды с молекулами соприкасающегося с ней твердого тела. В зависимости от свойств вещества, из которого состоит тело, смачивание может быть частичным или полным.
Это свойство воды играет огромную роль в биосфере и геологии. Благодаря эффекту смачивания происходит перемещение воды по капиллярам грунтовых пород вопреки силе тяжести не только вниз, но и вверх на высоту до 10-12 м. Смачивание участвует в процессе удержания влаги в почве, а также в растениях.
Теплоемкость – это величина, которая показывает какое количество тепла нужно затратить, чтобы повысить температуру вещества на один градус. У большинства веществ теплоемкость жидкости после плавления кристаллов увеличивается не более чем на 10 %. При плавлении же льда теплоемкость от 9 кал/моль*град увеличивается до 18. То есть в два раза!
Теплоемкость воды намного выше, чем у других веществ в жидкой форме. Это значит, что при поглощении определенного количества тепла температура воды повысится меньше, чем у любого другого вещества. И наоборот, при охлаждении вода отдает большее количество тепла, чем такое же количество любого другого вещества. Это свойство позволяет воде накапливать максимальное количество тепла по сравнению с другими веществами. Механизмы теплового регулирования живых организмов работают очень эффективно именно потому, что они содержат очень большое количество воды.
Теплота плавления и теплота испарения также являются уникальными свойствами воды. Для того, чтобы испарить воду, нужно затратить очень большое количество тепла. Это свойство воды объясняется ее структурой: при плавлении льда и испарении воды происходит разрыв водородных связей, для чего необходимо много энергии. Например, для того, чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100°C, требуется в шесть раз больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0°C до 80°C.
Эта особенность воды играет очень важную роль в природе. В процессе круговорота происходит не только перемещение больших водных масс, но и более равномерное распределение тепла по поверхности Земли. При более низких значениях теплоты испарения воды, климат нашей планеты был бы более континентальным, а, к примеру, область вечной мерзлоты Северного полушария сместилась бы к югу. Гидросфера накапливает тепловую энергию в течение теплого периода и отдает ее в течение холодного, выполняя тем самым роль основного регулятора тепла на планете.
Следует также отметить и аномальную зависимость теплоемкости воды от температуры. Практически у всех жидкостей, кроме ртути, при повышении температуры теплоемкость возрастает, у воды теплоемкость при повышении температуры от 0 до 36,8°C снижается, а потом растет.
Очень важна роль водяных паров в атмосфере: они поглощают инфракрасное излучение, создавая парниковый эффект. Роль паров воды в образовании парникового эффекта намного значительнее, чем роль углекислого газа (однако, деятельность человека никак не влияет на содержание в атмосфере водяного пара, а вот на содержание других парниковых газов влияет достаточно сильно).
Сегодня о парниковом эффекте говорят, как правило, с тревожным оттенком, однако он играет важную роль в создании благоприятных условий для жизни на планете. Если бы парникового эффекта не было, то средняя температура поверхности Земли с +15°Cупала бы до -14°C, и в большинстве районов планеты жизнь стала бы невозможной.
Достаточно высокое значение теплоты плавления льда обеспечивает плавный переход от зимы к лету. Для таяния льда необходимо большое количество тепла, поэтому этот процесс идет медленно. Если бы для плавления льда тепла нужно было бы меньше, мы ежегодно сталкивались бы с катастрофическими паводками.
Осенью при образовании льда происходит выделение скрытой теплоты замерзания. Установлено, что при замерзании 1 м³ воды выделяется столько же тепла, как при сжигании 10 кг угля. Поэтому наступление холодов происходит постепенно.
Другие интересные свойства воды
Благодаря полярности, малому размеру молекул и высокой диэлектрической постоянной вода является превосходным растворителем. Очень хорошо растворяются в ней ионные и полярные соединения, а также соли. Но и совсем неполярные соединения и газы, например, бензол, аргон, азот, тоже вполне растворимы в воде. Растворимость же в воде углекислого газа в десятки раз превышает растворимость, например, азота. По этой причине очень сложно получить абсолютно чистую воду.
Несколько лет назад было установлено, что дегазированная вода даже при отсутствии каких-либо моющих средств прекрасно смывает с одежды жирные пятна. В результате был получен патент на такой способ стирки. Лед же, наоборот, является очень плохим растворителем, поэтому цикл последовательного замораживания и оттаивания можно использовать при очистке воды.
Интересно, что свойства горячей и холодной воды очень сильно отличаются. В процессе нагревания от 0 до 4 вода сжимается; после того, как температура достигает 37°C, вода, в отличие от других жидкостей, становится очень неподатливой к сжатию. Теплоемкость уменьшается, в ней возрастает скорость звука, растворимость газов снижается, увеличивается ее показатель преломления.
Горячая вода при нагревании расширяется и легче поддается сжатию, скорость звука в ней становится меньше, растворимость газов в ней повышается, уменьшается ее показатель преломления. Процесс нагревания идет все труднее, вода хуже проводит температуру.
Кроме того, с возрастанием давления в холодной воде молекулы движутся быстрее, а молекулы горячей воды – медленнее. Известно, что горячая вода замерзает быстрее холодной, при сжатии лед тает (исключение составляют области высокого давления, где при сжатии вода замерзает). В природе нет ни одного вещества, кроме воды, которое существовало бы одновременно в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Вода – прекрасный проводник звуковых волн. Скорость распространения звука в воде в 4-5 раз выше, чем в воздухе. Звуковые и ультразвуковые волны в водной массе практически не подвержены искажению. Такие акустические свойства воды обеспечивают отличную коммуникацию многим водным животным, например, дельфинам.
Есть еще одно уникальное свойство воды – способность охлаждаться до некоторых отрицательных значений температуры, не преобразовываясь в лед. Это явление также можно объяснить способностью молекул воды к образованию упорядоченных структур, которые формируются при охлаждении, так что воду можно охладить ниже точки замерзания.
Известно, что в экспериментах с дистиллированной водой ее удавалось охладить до -70°C. Однако такое состояние воды очень неустойчиво: как только в эту воду попадает, например, песчинка или крупинка льда, начинается стремительный переход воды из жидкого состояния в твердое.
Несомненно, вода – самое известное вещество на планете, и в то же время изучение ее продолжается. Благодаря уникальным, зачастую даже аномальным свойствам воды на Земле возможна жизнь. В понимании неповторимых качеств воды и ее определяющей роли в природе лежит ключ к сохранению водных ресурсов планеты, а, следовательно, к сохранению жизни на Земле.
Быстрое замерзание горячей воды может показаться противоречием всем физическим законам. Хотя эффект был замечен еще во времена Аристотеля, науке до сих пор не удалось полностью понять причины этого явления.
Интересный факт случился в 60-х годах в одной из африканских стран. Она была известна под названием Танганьика. После присоединения к Занзибару, её название изменилось на Танзанию. Юный ученик делал задачу в рамках кулинарного урока, который проходил в их учебном заведении. Эрасто получил задачу по приготовлению мороженого. Для достижения этой цели ему нужно было соединить несколько частей молока, воды и сахара, подогреть на огне, затем остудить смесь и поместить ее в холодильник до тех пор, пока не получится ледяная масса. Не дождавшись полного остывания смеси, он поставил один из стаканов в холодильник. К его изумлению, именно этот стаканчик, который он охладил не полностью, первый превратился в мороженое.
Представление о том, что жидкость, подогретая до высокой температуры, может остыть быстрее, чем холодная, кажется неправдоподобной и противоречивой первому принципу термодинамики. Преподаватель по физике, которому был изложен опыт Эрасто, насмехался над этим.
Но юный исследователь не собирался сдаваться и продолжал настаивать на своей идее. Однажды в их учебное заведение пригласили профессора физики Дениса Осборна из столичного университета для проведения лекции, Эрасто Мпемба решил поделиться своим необычным опытом с новым учителем.
Интерес, вызванный словами мальчика, заставил профессора провести несколько экспериментальных опытов. В результате опыты подтвердили слова мальчика: нагретая вода может замерзать быстрее, чем охлаждённая, что поразило учёного. Исследования Дениса Осборна были представлены в 1969 г., в которых был упомянут и Эрасто Мпемба, ученик местного колледжа. Благодаря этому исследованию, Эрасто стал известен в Танзании до окончания обучения. В настоящее время ученые продолжают исследование этого интересного процесса при замораживании воды. До настоящего момента нет универсального разъяснения для этого явления, которое устроило бы всех исследователей.
При первом взгляде задача казалась простой, но ее формулировка была недостаточно ясной. С одной стороны, не было определено ясно, что подразумевается под термином "точка замерзания". С другой – можно задаться вопросом, может ли начальная температура быть одним фактором, который влияет на разницу между скоростью замерзания воды разной температуры. Вероятно, существуют другие физические факторы, зависящие от температуры воды, которые имеют возможность оказывать влияние на скорость замерзания жидкости.
Существует некоторые теории, которые предоставляют объяснения для странного поведения горячей воды при замерзании
1. Одно из возможных объяснений необычного поведения горячей воды при замерзании заключается в том, что быстрое испарение горячей воды может привести к ее более быстрому охлаждению и замерзанию, чем холодной воды. Образование мелких кристаллов льда при испарении воды в холодном воздухе может быть одним из факторов, который объясняет необычное поведение горячей воды при замерзании. Впоследствии, при дальнейшем охлаждении, они формируются в зародыши будущих кристаллов льда.
2. Другая возможная теория заключается в том, что когда испаряется горячая вода – происходит уменьшение её общего объема в контейнере, что в свою очередь приводит к более быстрому охлаждению меньшего количества воды.
3. Третье объяснение заключается в том, что нагретая вода содержит мало нуклеационных центров, таких как пузырьки воздуха или микроскопические частицы, которые способствуют образованию льда, что затрудняет ее замерзание.
4. Когда температура воды повышается, молекулы воды становятся более подвижными, что приводит к увеличению расстояния между ними. Такое изменение взаимодействия между молекулами воды повышает потенциальную энергию системы. При охлаждении молекулы воды становятся более плотно упакованными, а энергия между молекулами высвобождается в окружающую среду, ускоряя процесс охлаждения.
5. Когда вода нагревается, молекулы начинают двигаться быстрее и отдаляются друг от друга. Это позволяет им принимать наиболее хаотические расположения, похожие на те, которые молекулы принимают в кристаллическом льду. При достижении температуры замерзания, молекулы уже расположены в приближённых друг к другу местах, что позволяет льду быстро образовываться без траты дополнительных сил на разрывы связи. Однако, при достижении точки замерзания воды, требуется затратить определенное количество времени и энергии, чтобы прервать взаимосвязи между молекулами.
6. Некоторые научные сотрудники не уверены в том, что эффект Мпембы действительно существует, и считают, что это лишь предположение. Если все условия эксперимента будут полностью идентичными (объем, химический и физический состав, сосуды и холодильник), то более тёплая вода должна замерзать медленнее, чем вода более низкой температурой.
Несмотря на то, что точное объяснение эффекта Мпембы до сих пор не найдено, важно знать, что вода является одним из основных источников питания нашего организма, и ее качество играет важную роль для здоровья. Поэтому, чтобы обезопасить себя и свою семью от вредных примесей в воде, лучше всего заказывать чистую артезианскую воду с доставкой на дом или в офис.
Одно из физических свойств вещества – его способность принимать различные агрегатные состояния. Так называются состояния, каждое из которых имеет некоторые свои собственные физические свойства: например, различную плотность, способность или неспособность сохранять объём и форму, и другие. Агрегатное состояние вещества (в дальнейшем мы будем называть их для простоты сокращённо – состояниями вещества) определяется тем, насколько сильнó притяжение между его атомами и молекулами, и сколько энергии нужно для того, чтобы разорвать связь между этими частицами.
Существуют три основных агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное.
Внутри вещества его атомы и молекулы совершают колебательные движения. В твёрдом теле молекулы расположены очень близко друг к другу, прямо-таки упакованы, и их движение незначительно, а притяжение между ними очень сильное. Если прикладывать к веществу энергию, чаще всего в виде тепла, молекулы начинают двигаться быстрее; говорят, что возрастает их кинетическая энергия – энергия движения частиц. Если температура тела возрастает, атомы и молекулы получают достаточно энергии для того, чтобы удалиться друг от друга на достаточное расстояние. Когда силы, притягивающие частицы друг к другу, становятся равными силам, которые их растаскивают, вещество переходит из твёрдого состояния в жидкое.
Жидкость – это состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Она легко принимает форму сосуда, в который помещена.
Если жидкость получает ещё больше энергии, то есть если продолжать её нагревать, молекулы разгоняются ещё сильнее. Наступает момент, когда энергии у них становится достаточно для того, чтобы оторваться от других частиц. Тогда молекулы жидкости как бы «разбегаются» в разные стороны на расстояние, которое гораздо больше их размеров. При этом жидкость переходит в газообразное состояние. Газ – это состояние вещества, у которого отсутствует способность сохранять как постоянный объём, так и форму. Он хорошо сжимается. Молекулы газа располагаются далеко друг от друга и двигаются очень быстро.
Если вещество не нагревать, а охлаждать, то происходят обратные процессы: скорость движения атомов и молекул замедляется, они теряют энергию. Из газа вещество превращается в жидкость,а затем, когда частицы потеряют ещё тому сухой лёд используют для заморозки пищевых продуктов во время их транспортировки без холодильной камеры.
При фазовом переходе вещество, меняя своё агрегатное состояние, продолжает освобождать или поглощать тепло, но его собственная температура при этом не меняется. Например, когда мы нагреваем на плите кастрюлю с водой, она закипает при температуре 100 °C. Чтобы кипение продолжалось, необходимо больше энергии, сила притяжения между молекулами заставит их опять собраться в твёрдое состояние.
Если сильно нагреть воду, она превратится в пар
Между различными состояниями вещества существуют чёткие границы – прежде всего, температурные. При достижении такой границы свойства вещества начинают меняться, совершая как бы скачок. Например, пока температура воды не достигла 100 °C, она испаряется (превращается в газ) совсем незначительно. Но при достижении этой температурной границы вода закипает, начинает бурно переходить в состояние водяного пара. Такое скачкообразное изменение состояния вещества называется фазовый переход.
Выделяют следующие его разновидности.
Переход из твёрдого состояния в жидкое – это плавление. Из жидкого в газообразное – испарение (медленное превращение жидкости в газ на её границе, происходящее, когда граница фазового перехода ещё не достигнута) и кипение (интенсивный фазовый переход). Температура, при которой жидкость закипает, называется точка кипения. Переход из газообразного состояния в жидкое (или иногда сразу в твёрдое) – это конденсация, а из жидкого в твёрдое кристаллизация. Температура кристаллизации воды (0 °C) называется её точкой замерзания, а плавление льда носит название таяние.
Существуют и такие вещества, которые из твёрдого состояния переходят сразу в газообразное: они не плавятся, а испаряются, минуя жидкое состояние. Такой фазовый переход называется сублимация. Два таких вещества тебе, возможно, известны: это нафталин, запахом которого отпугивают моль в шкафах, и сухой лёд (двуокись углерода, то есть замёрзший углекислый газ). В тепле сухой лёд начинает достаточно быстро испаряться. При этом он не оставляет после себя никаких следов, никакой влаги. Именно поэтому сухой лёд используют для заморозки пищевых продуктов во время их транспортировки без холодильной камеры.
При фазовом переходе вещество, меняя своё агрегатное состояние, продолжает освобождать или поглощать тепло, но его собственная температура при этом не меняется. Например, когда мы нагреваем на плите кастрюлю с водой, она закипает при температуре 100 °C. Чтобы кипение продолжалось, необходимо не выключать плиту и продолжать нагревание. Но температура воды при этом уже не увеличивается, она остаётся прежней: 100 градусов. Потребляемая тепловая энергия полностью уходит на изменение состояния воды – на её превращение в водяной пар.
Сухой лёд сразу превращается в газ. Этот фазовый переход называется сублимация
Большинство веществ на Земле при обычной температуре и давлении – это твёрдыетела. Вода встречается во всех трёх состояниях в зависимости от температуры окружающей среды. Некоторые вещества, в том числе кислород и азот, встречаются на нашей планете только в виде газов. Всё это создаёт условия, максимально подходящие для живых существ. Господь создал Землю пригодной для жизни. На других планетах Солнечной системы имеются те же вещества, есть там и кислород, но жизнь на них невозможна. Для неё Создателем была предназначена только одна планета – та, на которой мы с тобой живём.
Кинетическая энергия, энергия движения частиц – главное, что определяет состояние вещества. Когда молекулы вещества обладают низкой энергией, сила взаимного притяжения молекул заставляет их держаться близко друг от друга.
В результате они собираются в плотное, твёрдое вещество. Если молекулы получают энергию из внешнего источника, их энергия возрастает, они начинают двигаться быстрее, удаляясь друг от друга на бóльшее расстояние. Сила взаимного притяжения продолжает удерживать их вместе, но уже гораздо слабее. И если вещество продолжает получать энергию извне, в какой-то момент молекулы начинают двигаться так активно, что связь между ними совсем ослабевает: вещество превращается в газ.
Разобравшись с этим процессом, подумай вот о чём. Допустим, у тебя есть одно и то же вещество в двух состояниях – твёрдом и жидком. Что будет иметь бóльшую плотность, а что меньшую: жидкость или твёрдое тело? Плотность- это масса, делённая на объём.
Путь рассуждения может быть таким: поскольку молекулы в твёрдом вещества сильнее притягиваются друг к другу, чем в жидкости, плотность твёрдого тела будет выше (мы говорим об одном и том же веществе в разных состояниях). Практически во всех случаях так оно и есть. Плотность жидкого золота меньше плотности золота в слитке. Сухой лёд имеет плотность бóльшую, чем жидкая углекислота. Почти все вещества подходят под эту закономерность: плотность твёрдого вещества больше плотности того же вещества в жидком состоянии. Существует всего несколько исключений, и самое известное из них – одно — вода. Одно из немногих веществ, расширяющееся при замерзании. Поэтому кубики льда плавают на поверхности воды в стакане; плотность льда меньше плотности воды. Так получается потому, что молекулы воды при её замерзании соединяются в ажурную конструкцию, оказываясь друг от друга даже на немного большем расстоянии, чем находились в жидкости.
Водой покрыта большая часть нашей планеты. Вода рассеяна по небу. Вода заполняет наши клетки в гораздо большей степени, чем мы себе представляем: они заполнены ею на две трети объема. Молекула воды настолько мала, что, если бы нам представилась возможность сосчитать все молекулы в нашем теле, 99 % составили бы молекулы воды.
Вода — самая известная жидкость на планете, поэтому большинство из нас убеждены, что ничего нового и интересного о ней сказать уже нечего. Однако, это большое заблуждение! Такая простая вода на самом деле не так уж проста. Какие же тайны и секреты хранит вода? Какими удивительными и даже уникальными свойствами она обладает? Об этом мы и расскажем в нашей статье.
Существует несколько гипотез происхождения воды, которые условно можно разделить на две группы. Одна группа предполагает космическое происхождение, другая — земное. Согласно космической гипотезе, вода на Земле появилась в «готовом» виде вместе с падающими на нее в течение миллиардов лет обломков метеоритов, комет и астероидов. Также есть предположение что космические тела «доставили» на Землю лишь отдельные компоненты воды, которые затем вступали в реакцию и образовывали воду.
Больше приверженцев имеет гипотеза земного происхождения воды. Эта версия основана на предположении, что в период горячей фазы формирования наше планеты через трещины в ее коре на поверхность проникали различные газы, в том числе водород и кислород, а также их соединение — пар. Затем посредством конденсации на поверхности планеты они образовывали воду, которая скапливалась в местах понижения рельефа, образуя океаны, моря и озера.
По предположению ученых «геологическая» вода могла выходить на поверхность в объеме 0,5 — 1 кубических километров в год, отсюда можно определить, что за всю историю Земли воды должно было образоваться столько, сколько ее и содержит Мировой океан.
Запасы воды на нашей планете огромны. Если представить весь объем воды в виде гигантской капли, то ее диаметр окажется равным 1,5 тыс. км. А если бы вода была равномерно распределена по всей поверхности планеты, глубина такого океана составляла бы 2, 7 км!