Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11 | Следующая страница реферата

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.

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.

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.

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.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: титульный лист курсовой работы, ответы школа, шпори для студентів.



Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11 | Следующая страница реферата

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки