1.3. Физические свойства воды 1.3.1. Агрегатные состояния воды и фазовые переходы

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях, или фа­зах,— твердом (лед), жидком (собственно вода), газообразном (водя­ной пар). Очень важно, что при реально существующих на Земле диапазонах атмосферного давления и температуры вода может на­ходиться одновременно в разных агрегатных состояниях. В этом отношении вода существенно отличается от других физических веществ, находящихся в естественных условиях преимущественно либо в твердом (минералы, металлы), либо в газообразном (0₂, N₂, С0₂ и т. д.) состоянии.

Изменения агрегатного состояния вещества называют фазовыми переходами. В этих случаях свойства вещества (например, плот­ность) скачкообразно изменяются. Фазовые переходы сопровожда­ются выделением или поглощением энергии, называемой теплотой фазового перехода («скрытой теплотой»).

Зависимость агрегатного состояния воды от давления и темпе­ратуры выражается диаграммой состояния воды, или фазовой диаг­раммой (рис. 1.3).

Кривая ВВ'О на рис 1.3 носит название кривой плавления. При переходе через эту кривую слева направо происходит плавле­ние льда, а справа налево —ледообразование (кристал­лизация воды). Кривая О К называется кривой парообразования. При переходе через эту кривую слева направо наблюдается кипение воды, а справа налево — конденсация водяного пара. Кривая АО носит название кривой сублимации, или кривой возгонки. При пересечении ее слева направо происходит испарение льда (возгонка), а справа налево — конденсация в твердую фазу (или сублимация).

В точке О (так называемой тройной точке, при давлении 610 Па и температуре 0,01 °С или 273,160 К) вода одновременно находится во всех трех агрегатных состояниях.

Рис. 1.3. Диаграмма состояния воды /— VIII — различные модификации льда

Температура, при которой происходит плавление льда (или кристаллизация воды), называется температурой или точкой плав­ления Т_ПЛ. Эту температуру можно называть также температурой или точкой замерзания Г_зам.

С поверхности воды, а также льда и снега постоянно отрыва­ется и уносится в воздух некоторое количество молекул, образую­щих молекулы водяного пара. Одновременно с этим часть молекул водяного пара возвращается обратно на поверхность воды, снега и льда. Если преобладает первый процесс, то идет испарение воды, если второй — конденсация водяного пара. Регулятором направлен­ности и интенсивности этих процессов служит дефицит влажно­сти — разность парциального давления водяного пара в состоянии насыщения (максимально возможного) при данной температуре по­верхности воды (снега, льда) и парциального давления фактически содержащегося в воздухе водяного пара. Содержание в воздухе на­сыщенного водяного пара и его давление увеличиваются с ростом температуры (при нормальном давлении) следующим образом. При температуре О °С содержание и давление насыщенного водяного пара равны соответственно 4,856 г/м ³ и 6,1078 гПа, при темпе­ратуре 20 °С — 30,380 г/м³ и 23,373 гПа, при 40 °С — 51,127 г/м³ и 73,777 гПа.

Испарение с поверхности воды (льда, снега), а также влажной почвы идет при любой температуре и тем интенсивнее, чем больше дефицит влажности. С ростом температуры упругость водяного па­ра, насыщающего пространство, растет, и испарение ускоряется.

К увеличению испарения приводит и возрастание скорости движе­ния воздуха над испаряющей поверхностью (т. е. скорости ветра в природных условиях), усиливающее интенсивность вертикально­го массо- и теплообмена.

Когда интенсивное испарение охватывает не только свободную поверхность воды, но и ее толщу, где испарение идет с внутренней поверхности образующихся при этом пузырьков, начинается про­цесс кипения. Температура, при которой давление насыщенного водяного пара равно внешнему давлению, называется температу­рой или точкой кипения Т_КИП.

При нормальном атмосферном давлении (1,013 • 10⁵Па = 1,013 бар = = 1 атм = 760 мм рт. ст.) точки замерзания воды (плавления льда) и кипения (конденсации) соответствуют 0 и 100 °С.

Заметим попутно, что характерные точки на диаграмме состо­яния воды явились основой для шкал температуры. Основой шка­лы Цельсия стали принятые за 0 и 100 ° температуры 7"_им (или Т_т) и Г_кип при нормальном давлении. Один градус Цельсия — это 1/100 этого диапазона температуры. За ноль шкалы Кельвина (абсолют­ный ноль) принята температура на 273,16 °С ниже температуры тройной точки. При этом цены деления в шкалах Цельсия и Кель­вина одинаковые.

Температура замерзания Г_зам и температура кипения воды Т_кт зависят от давления (см. рис. 1.3). В диапазоне изменения давления от 610 до 1,013 • 10⁵ Па температура замерзания немного понижается (от 0,01 до 0 °С), затем при росте давления приблизительно до 6 • 10⁷ Па Т_шм падает до -5 °С. Последнее означает, что лед в нижней части толщи ледника, находящийся под давлением, может таять даже при небольшой отрицательной температуре. При увеличении давления до 2,2-10⁸Па Т_зш уменьшается до -22 °С. При дальней­шем увеличении давления Т_зш начинает быстро возрастать. При очень большом давлении образуются особые «модификации» льда (II—VIII), отличающиеся по своим свойствам от обычного льда ( I).

При реальном атмосферном давлении на Земле пресная вода замерзает при температуре около 0 °С. На максимальных глубинах в океане (около 11 км) давление превышает 10 ⁸ Па (увеличение глубины на каждые Юм увеличивает давление приблизительно на 10⁵ Па). При таком давлении температура замерзания пресной воды была бы около -12 °С.

На снижение температуры замерзания воды оказывает влияние ее соленость (рис. 1.4). Увеличение солености на каждые 10 %о при атмосферном давлении снижает Т_зш приблизительно на 0,54 °С:

Г_зам =-0,0545. (1.3)

Температура кипения с уменьшением давления снижается (см. рис. 1.3). Поэтому на больших высотах в горах вода кипит при температуре ниже, чем 100 °С. При росте давления Т_кци возрастает

Рис. 1.4. Зависимость температуры замер­зания Т_зш (7) и температуры наибольшей плотности Г_наи6л1л (2) от солености S (гра­фик Хелланд-Хансена)

до так называемой «критической точки», когда при р = 2,2-10⁷ Па и Г_кип = 374 °С вода одновременно имеет свойства и жидкости, и газа.

Диаграмма состояния воды иллюстрирует две «аномалии» воды, оказывающие решающее влияние не только на «поведение» воды на Земле, но и на природные условия планеты в целом. По срав­нению с веществами, представляющими собой соединения водоро­да с элементами, находящимися в Периодической таблице Мен­делеева в одном ряду с кислородом,— теллуром Те, селеном Se и серой S,—температура замерзания и кипения воды оказывается необычно высокой. Учитывая закономерную связь температуры за­мерзания и кипения с массовым числом упомянутых веществ, сле­довало бы ожидать у воды значения температуры замерзания около -90 °С, а температуры кипения около -70 °С.

Аномально высокие значения температуры замерзания и кипе­ния предопределяют возможность существования воды на планете как в твердом, так и в жидком состоянии и служат определяющими условиями основных гидрологических и других природных процес­сов на Земле. Да и сам облик нашей планеты (огромный Мировой океан, обширные ледники, реки и озера) есть следствие этих осо­бенностей свойств воды.

Земля, по-видимому, единственная планета в Солнечной систе­ме, где вода находится в жидком состоянии. Диаграмма состояния воды (см. рис. 1.3) — универсальна и может быть использована для оценки возможности присутствия воды в жидком виде (а значит — и жизни) в масштабах всей Вселенной. Так, например, на Марсе в условиях очень низких температур (менее -100 °С) и очень малого атмосферного давления (от 1 до 12 гПа, т. е. в среднем в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли) вода может находиться лишь в виде льда и частично — водяного пара. Впрочем, в далеком прошлом, когда у Марса была атмосфера, и благодаря парниковому эффекту температура на поверхности планеты была выше, чем сейчас, здесь вполне могла присутствовать жидкая вода, могли выпадать дожди и течь реки. На Венере, наоборот, в условиях очень высоких температур (более 400 °С) и очень большого давления вода может находиться лишь в виде сильно нагретого водяного пара.