Б. Суслов - Вода

Итак, вода при нуле градусов отличается от льда при той же температуре тем, что каждый грамм воды содержит в себе теплоты на 80 калорий больше, чем грамм льда.

Теперь, зная, как высока теплота плавления льда, мы видим, что нам нет никаких оснований жаловаться иногда, что лёд тает "слишком быстро". Имей лёд такую же теплоту плавления, как большинство других тел, он таял бы в несколько раз быстрее.

В жизни нашей планеты таяние снега и льда имеет совершенно исключительное по своей важности значение. Нужно помнить, что только ледниковый покров занимает более трёх процентов всей земной поверхности или 11 процентов всей суши. В районе южного полюса лежит огромный материк Антарктика, превышающий по размерам Европу и Австралию, вместе взятые, покрытый сплошным слоем льда. На миллионах квадратных километров суши царит вечная мерзлота. Только ледники и вечная мерзлота составляют пятую часть суши. К этому надо прибавить ещё поверхность, занесённую в зимнее время снегом. И тогда можно сказать, что от одной четверти до одной трети суши всегда покрыто льдом и снегом. Несколько месяцев в году эта площадь превышает половину всей суши.

Ясно, что огромные массы застывшей воды не могут не отражаться на климате Земли. Какое колоссальное количество солнечного тепла расходуется только на то, чтобы расплавить весной один снежный покров! Ведь в среднем он достигает около 60 сантиметров толщины, а на каждый грамм надо затратить 80 калорий. Но солнце — такой мощный источник энергии, что в наших широтах оно справляется с этой работой иногда в несколько дней. И трудно представить, какое половодье ждало бы нас, если бы лёд имел, например, такую теплоту плавления, как свинец. Весь снег мог бы растаять за один день или даже за несколько часов, и тогда разлившиеся до необычайных размеров реки смыли бы с поверхности земли и самый плодородный слой почвы, и растения, принося всему живому на Земле неисчислимые бедствия.

Лёд, плавясь, поглощает огромное количество тепла. Такое же количество тепла отдаёт вода при замерзании. Если бы вода имела небольшую теплоту плавления, то наши реки, озёра и моря, вероятно, застывали бы после первых же заморозков.

Итак, к большой теплоёмкости воды прибавилась ещё одна замечательная особенность — большая теплота плавления.

Следующая особенность воды, мимо которой мы не можем пройти ввиду её исключительной важности, касается перехода жидкой воды в пар. Продолжим дальше опыт, начатый со снегом (стр. 27). После того как весь снег превратился в воду, поставим нашу чашку на горячую плиту и будем наблюдать за термометром. Вода станет нагреваться, и ртуть термометра поползёт вверх. С ровной спокойной поверхности воды выделяется пар. Он невидим, но его легко обнаружить, если поднести к поверхности воды сравнительно холодный предмет, например зеркало: пар охладится и сгустится в мельчайшие капельки, которые затуманят поверхность зеркала. То же самое бывает и с горячим паром, вырывающимся из отверстия в крышке чайника при кипении воды. Струя пара вблизи самого отверстия горяча и невидима, но на некотором расстоянии от отверстия пар уже успевает охладиться воздухом, и мы хорошо видим струю тумана.

Надо заметить, что вода испаряется при всякой температуре. Оставьте в комнате на тарелке немного воды, — за день она может испариться вся. Испаряется не только вода, но и снег, и лёд, и даже при температуре ниже нуля градусов. Ведь сохнет же на морозе бельё. Правда, оно сохнет медленнее, чем летом, когда в сухую погоду оно высыхает за несколько часов, а то и быстрее. Чем выше температура, тем быстрее испаряется вода.

Когда термометр покажет 100 градусов, вода закипит. Это значит, что ниже поверхности воды, вначале преимущественно на стенках сосуда, а затем и по всей массе воды, станут образовываться мелкие пузырьки пара, которые быстро вырастают в объёме и, как более лёгкие, всплывают наверх. Когда пузырьки пара начинают сильно перемешивать воду, мы говорим: вода кипит ключом.

Пока вся вода не выкипит, ртуть в термометре не сдвинется с места.

При переходе одного грамма воды в пар при температуре 100 градусов требуется 538 калорий. Эта энергия, сообщаемая воде в виде тепла, носит название теплоты парообразования.

На что же расходуются эти 538 калорий? Прежде всего представим себе такой опыт. В трубку длиною около двадцати метров, запаянную с одного конца (рис. 7), налита до уровня в 1 сантиметр вода при температуре 100 градусов. Вообразим, что на поверхности воды лежит невесомый поршень, который двигается в трубе без трения и совершенно не пропускает пара. Станем нагревать воду до тех пор, пока она вся не испарится; при этом она поглотит 538 калорий тепла. Когда испарение будет закончено, поршень поднимется больше чем на 16, 5 метра вверх! Значит, при переходе жидкой воды в пар объём увеличился в 1650 раз (точнее — в 1653 раза). Но, чтобы тело могло расшириться, оно должно отвоевать себе для этого место, должно преодолеть давление воздуха! На это затрачивается определённая работа, так называемая работа расширения. При испарении одного грамма воды эта работа, выраженная в тепловых единицах, составит около 43 калорий.

Рис. 7. При испарении объём воды увеличивается приблизительно в 1650 раз.

Но ведь мы знаем, что теплота парообразования для воды равна 538 калориям? Куда же идут остальные 495 калорий? Они необходимы для разъединения связанных между собой в жидкой воде молекул на отдельные свободно движущиеся молекулы пара. Это лишний раз указывает на то, что в жидкой воде молекулы образуют какие-то прочные постройки, — для разрушения их должна быть затрачена значительная энергия.

Расход тепла на образование пара из воды легко ощутим. Намочите руку и помашете ею в воздухе — вы почувствуете прохладу. После купанья в реке стоять мокрому на берегу, да ещё при ветре, неприятно; мы стараемся быстрее вытереться полотенцем, чтобы влага не испарялась с нашего тела и не отнимала от него тысячи калорий.

Смоченная спиртом или эфиром рука ощущает особенно резкий холод. Хотя и спирт и эфир имеют сравнительно небольшую теплоту испарения, но температуры кипения этих жидкостей низки: у спирта 78, 3 градуса, а у эфира 35, 6 градуса. Поэтому и испаряются спирт и эфир во много раз быстрее, чем вода.

Сравним теперь теплоты парообразования различных веществ. Чтобы перевести в пар один грамм ртути, нужно затратить 68 калорий, удельная теплота парообразования спирта равна приблизительно 200 калориям, эфира 90, бензола 94, скипидара 70 и т. д. Мы видим, что и здесь вода стоит обособленно среди других жидкостей.