Связь между теплосодержанием и температурой чистой воды

  Энергетика фазовых превращений воды более детально по­казана на графике изменения температуры 1 г чистой во­ды, происходящего по мере добавления тепла (рисунок 6.3). Вспомним, что температура в градусах — это только один способ описать, сколько тепловой энергии (в калориях) со­держится в веществе, т. е. сколько запасено в нем внутрен­ней энергии. Отметьте на графике 25 °С — типичное значе­ние температуры в лабораторных условиях. Для нагревания воды до точки кипения (100 °С) потребуется 75 кал (участок а - b). Каждая калория, добавляемая к 1 г воды, повышает его температуру на 1 °С. Мы определили сейчас одну из фундаментальных характеристик воды — ее удельную теп­лоемкость. Из таблицы 6.1 следует, что среди всех достаточно широко распространенных твердых и жидких веществ вода имеет наибольшую теплоемкость. Это означает, что при поглощении равного количества тепла другие вещества на­греваются сильнее, чем вода. В следующем разделе мы про­анализируем некоторые океанологические аспекты данного свойства воды, а сейчас ограничимся только одним замеча­нием: способность воды поглощать и высвобождать большие количества тепла и при этом не очень сильно менять свою температуру объясняет ее важнейшую роль в смягче­нии климата на Земле.

Рисунок 6.3. Изменение температуры 1 г чистой воды в случае добав­ления (или отвода) тепла; начальная температура (точка а) равна 25 °С.

Изменение температуры 1 г чистой воды в случае добав¬ления (или отвода) тепла

Участок а - b. Температура воды растет пропорционально коли­честву поглощенного тепла. Наклон графика ΔН/ΔT определяет фундаментальную характеристику, называемую удельной теплоем­костью. Она выражает, сколько требуется тепла, чтобы поднять температуру воды на определенную величину. Среди распростра­ненных в природе жидких и твердых веществ вода имеет наиболь­шую теплоемкость — I кал/(г-град).

Участок b - с. Воде, нагретой до точки кипения, для перехода из жидкого состояния в газообразное нужно передать дополнитель­ную тепловую энергию. Эта энергия называется скрытой тепло­той парообразования; на уровне моря (при давлении 1 атм) она равна 540 кал/г. Необходимую энергию молекулы приобретают ли­бо непосредственно от внешнего источника, каким является сол­нечная радиация, либо косвенным образом — накапливая энергию в результате столкновений с другими молекулами жидкости. Участок а — d. Если отбирать тепло у воды, ее температура пони­жается. Чистая вода начинает замерзать при 0 °С, но морскую можно охладить до -1,9 °С (поскольку точка замерзания раствора соли ниже).

Участок d - е. Переход воды из жидкого состояния в твердое ха­рактеризуется скрытой теплотой плавления. При О °С 1 г воды должен потерять 80 кал, чтобы превратиться в лед.

Участок а - с'. Морская вода испаряется и не будучи доведена до кипения. Фазовый переход в этом случае требует большего коли­чества тепла, чем 540 кал/г (см. уравнение под рис. 6.2).

  Передача 75 кал 1 г воды при температуре 25 °С приво­дит к нагреванию ее до точки кипения (100 °С). При добав­лении дополнительного количества тепла температура воды больше не растет: вместо этого отдельные молекулы ее от­рываются от своих соседей и покидают жидкость в виде во­дяного пара. Этот процесс продолжается, пока вся жид­кость не испарится; после того как 1 г воды был нагрет до 100 °С, на его испарение должно быть израсходовано приб­лизительно 540 кал. Эта величина называется скрытой теп­лотой парообразования. Важно отметить, что 1 г испарив­шейся Н20 «забирает» эту тепловую энергию у жидкости. Водяной пар, попавший в атмосферу, несет значительный «полезный груз» скрытой энергии, которая может выде­литься лишь при конденсации пара (превращении его в дождь или мокрый снег). Если пар переносится ветром да­леко от места образования, это значит, что система океан — атмосфера обеспечивает перенос достаточного ко­личества тепловой энергии вокруг земного шара.

  Возвращаясь к рисунку 6.3, мы видим, что отняв 25 кал у 1 г воды, находящейся при комнатной температуре (25 °С), мы понизим ее температуру до точки замерзания чистой воды (0 °С). После этого потребуется отнять у воды еще 80 кал, чтобы превратить ее в кристаллическое вещество — лед. На протяжении всего процесса кристаллизации температура жидкой воды и льда остается равной 0 °С. Когда вся жид­кость «перейдет» через линию раздела фаз и превратится в леи, дальнейший отвод тепла вызовет понижение темпера­туры льда. Заметим, однако, что при потере 1 кал тепла по­нижение температуры ∆Т у льда и у воды различно: ∆Тльда = 2∆Тводы, из чего следует, что удельная теплоемкость твердой Н20 составляет около 0,5 кал/(г∙град).

  В океанах тепло, выделяющееся в результате превраще­ния воды в лед, уходит либо в атмосферу, вызывая нагрев холодного воздуха, либо в окружающую незамерзшую воду, температура которой в результате также повышается. Про­цесс превращения воды в лед как бы препятствует образова­нию нового льда. Другие океанологические аспекты описан­ного свойства воды будут рассмотрены ниже. Поставим здесь только один вопрос. Предположим, вам нужно опрес­нить некоторое количество воды, чтобы сделать ее пригод­ной для питья, и за израсходованную на этот процесс энер­гию приходится платить. Как вы будете в таком случае ве­сти опреснение: выпаривая воду или замораживая ее?