Тепловые свойства воды

К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды (см. рис. 1.3) или так называемых фазовых переходов относятся большая затрата теплоты на плавление, испарение, кипение, возгонку

и большое выделение теплоты при обратных переходах. В сравне­нии с другими веществами удельная теплота плавления льда и удельная теплота парообразования аномально высоки. Они пред­ставляют две очередные «аномалии» воды.

Удельная теплота плавления пресного льда L_m (количество теп­лоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду) равна 333 ООО Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при замерза­нии (кристаллизации) химически чистой воды.

Удельная теплота парообразования (испарения) Х_исп (количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар (в Дж/кг)) зависит от температуры:

Д

(1.9)

При 0 и 100 °С L_mn равны соответственно 2,5 • 10⁶ и 2,26 х х 10⁶ Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при конденсации водяного пара.

Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения:

(1.10)

Для определения количества теплоты, расходуемой на плавле­ние льда, испарение воды и возгонку льда, используют соответ­ственно формулы (Дж):

( 1.11) (1.12)

(1.13)

где т — масса воды, в том числе образующаяся из льда при его плавлении или эквивалентная испаряющемуся льду.

При конденсации воды, ледообразовании или конденсации в твердую фазу (сублимации) выделяется теплота, которую можно определить также по формулам (1.11) — (1.13).

Для нагревания воды вне точек фазовых переходов необходи­мо затратить большое количество теплоты. Удельная теплоемкость воды (количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус) также аномально высока по сравнению с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ. Удельная теплоемкость воды при постоянном давлении с_р при 15 °С равна 4190 Дж/(кг- °С).

Изменение удельной теплоемкости воды при изменении темпера­туры также весьма своеобразно. При температуре около 33 °С удель­ная теплоемкость пресной воды минимальная — около 4180 ДжДкг- °С); она немного увеличивается при более низкой и при более высокой температуре. Теплоемкость чистого льда почти в два раза меньше

теплоемкости воды, а чистого сухого снега (плотностью 280 кг/м³) в 7,1 раза меньше теплоемкости воды, но в 450 раз больше тепло­емкости воздуха.

С увеличением содержания в воде солей удельная теплоемкость воды слабо уменьшается. Поэтому теплоемкость морской воды немного меньше, чем пресной. Отмечается также небольшое умень­шение удельной теплоемкости воды с увеличением давления, что также имеет некоторое значение для тепловых процессов в толще океана.

Количество теплоты Д0, необходимое для нагревания массы воды т на АТ°С, выражается формулой (Дж)

AQ = c_pmAT=c_pm(T_K0H-Т_шч), (1.14)

где Т_нач — начальная, Т_кон — конечная температура воды.

Очень высокая удельная теплота плавления (замерзания) и ис­парения, а также весьма большая теплоемкость воды оказывают огромное регулирующее влияние на тепловые процессы не только в водных объектах, но и на всей планете. При нагревании земной поверхности огромные количества теплоты тратятся на таяние льда, нагревание и испарение воды. В результате нагрев земной поверх­ности замедляется. Достаточно упомянуть, что на нагревание воды уходит теплоты в 5 раз больше, чем на нагревание сухой почвы, а теплосодержание всего лишь трехметрового слоя океана равно теплосодержанию всей атмосферы. Наоборот, в процессе охлажде­ния земной поверхности при конденсации водяного пара и замер­зании воды выделяются огромные количества теплоты, сдерживаю­щие процесс охлаждения. Полезно напомнить, что в большинстве водных объектов (кроме полярных ледников) изменение температу­ры воды, как правило, происходит в интервале от -2 до +30 °С; для суши этот диапазон значительно шире: от -70 до +60 °С.

Важно также подчеркнуть, что чем больше влаги в почве, тем медленнее такая почва нагревается и остывает. Благодаря большой теплоемкости нагревание и охлаждение воды происходит медлен­нее, чем воздуха.

Таким образом, отмеченные аномальные особенности тепловых свойств воды способствуют теплорегуляции процессов на Земле. При меньших значениях Z_Hcn и с_р поверхность Земли нагрева­лась бы и охлаждалась гораздо быстрее, возрос бы и диапазон изменения температуры. В таких условиях вся вода на Земле то замерзала бы, то испарялась, гидросфера имела бы совсем иные свойства, а жизнь в таких условиях вряд ли была бы возможна.

Отмеченные особенности тепловых свойств воды — аномально большие удельная теплота плавления, удельная теплота испарения и удельная теплоемкость воды, а также аномально высокие темпе­ратура плавления и температура кипения — объясняются одной и той же причиной: наличием сильных межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льде, о которых речь шла выше. Поэтому для плавления льда, нагревания и испарения воды, при которых пре­одолеваются водородные связи, необходимы гораздо большие затра­ты энергии, чем для других веществ.

Из других тепловых свойств воды важное значение имеет тепло­проводность. Молекулярная теплопроводность воды очень мала и рав­на у химически чистой воды 0,57 Вт/(м*°С), у льда 2,24 Вт/(м-°С), у снега 1,8 Вт/(м-°С). Меньшую молекулярную теплопроводность имеет лишь воздух.

С уменьшением температуры и давления и увеличением соле­ности теплопроводность воды немного уменьшается. С понижени­ем температуры и уменьшением плотности льда и снега их тепло­проводность также уменьшается.

Малая теплопроводность воды способствует ее медленному нагреванию и охлаждению. Снег предохраняет почву, а лед — водо­емы от промерзания. Передача теплоты в воде рек, озер и морей происходит в основном благодаря турбулентной (при динамиче­ском перемешивании), а не молекулярной теплопроводности.

Заметим, что в физике единицы для измерения теплоты, так же как и единицы массы, выведены из свойств воды. Количество теп­лоты, необходимое для нагревания 1 г химически чистой воды на

1. °С, было принято за 1 калорию (кал). При пересчете в единицы системы СИ вместо калорий ввели джоули (1 кал = 4,1868 Дж). Поэтому теплоемкость химически чистой воды и составляет во вне­системных единицах 1 кал/(г*°С), а в системе СИ 4190 Дж/(кг-°С).