Вода и ее применение в современных технологиях

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 .

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 разновидность II. 
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%. 
Лед VI -может быть получен непосредственно из воды при температуре 60 °С и давлении 16,5 кбар (при давлении 21 кбар температура этой модификации льда 76 "С), его плотность выше плотности льда V на 4 и воды на 6%.

Эти шесть модификаций  льда образуют резко различные полимерные группы. В одну группу могут быть включены льды, которые легче вод (лед I, 
IV), в другую—более тяжелые (лед III, V и VI). При плавлении льды первой группы сокращаются в объеме, а второй, наоборот, увеличиваются. Различия между модификациями льда обусловлены не химическими свойствами, а молекулярным строением льда.

По-видимому, здесь отчасти  кроется причина образования  в некоторых случаях так называемого  донного льда, о котором подробнее  будет идти речь в дальнейшем.

Как правило, различные модификации  льда даже при высоких давлениях  по плотности близки к плотности  обычного льда (различия в плотности  обычно не превышают 6%). Однако в астрофизическом  центре университета в Толедо (США, штат Огайо) американскими учеными  А. Дальсом и А. Венджером была открыта сверхплотная модификация  льда при температуре ниже минус 173 °С и давлении 
(6— 8) -Ю-3 мм рт. ст. Плотность этой модификации 2,3 г/см3 (по плотности он близок к гнейсу — 2,4 г/см3). Этот лед аморфен и может играть большую роль в физике планет и комет.

Замерзание природной  воды зависит от температуры, давления, минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава. Так, при концентрации раствора поваренной соли NaCI 5 г/л он замерзнет при  минус 0,38; 50 г/л — при минус 3,78 и, наконец, 100 г/л—при минус 7,44 °С. 
Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняет раствор от замерзания, происходит процесс вымораживания, которым пользуются, например, при добыче соли. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегося жидкого раствора повышается.

Каждой, температуре соответствует  вполне определенная концентрация раствора. Так будет продолжаться до тех  пор, пока температура не упадет до минус 21,9°С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после чего раствор затвердеет, образуется эвтектическая  смесь кристаллов льда и соли, называемая криогидратом. По данным Н. Н. Зубова [1945], лед образуется из морской воды при минерализации 10 г/л при температуре 0,5; при 100 г/л — при 6,4, а при 260 г/л при минус 23 °С.