Б. Суслов - Вода
Такая сложная зависимость между теплоёмкостью тела и его температурой известна лишь для немногих веществ.
А как же быть теперь с единицей теплоты — калорией? На странице 23, устанавливая, что такое калория, мы ни словом не обмолвились о температуре. Очевидно, это определение было неверным или, во всяком случае, неточным. В самом деле, для нагревания воды от 5 до 6 градусов надо сообщить воде тепла на 0, 7 процента больше, чем при нагревании от 20 до 21 градуса. Эта величина небольшая, но тем не менее при точных научных расчётах её необходимо учитывать. Поэтому условились за калорию принимать такое количество тепла, которое нагревает на один градус один грамм чистой воды от температуры 14, 5 до температуры 15, 5 градуса. Эта единица тепла очень близка к среднему значению теплоёмкости, измеренной при нагревании воды от 0 до 100 градусов: если всё тепло, затраченное на нагревание одного грамма воды от 0 до 100 градусов, разделить на число градусов, то есть на 100, то получится величина, очень близкая к выбранной калории. Эту калорию обычно называют пятнадцатиградусной калорией.
Чтобы получить представление о калории как единице теплоты, приведём несколько цифр. При сжигании одного килограмма керосина выделяется 11 000 000 калорий, при сжигании килограмма дров — около 4 500 000, спирта — 7 100 000 калорий. Как видно, цифры получаются весьма большие; следовательно, выбранная единица очень мала. Поэтому на практике обычно пользуются единицей, в тысячу раз большей, и называют её большой калорией.
8. Быстро ли тает лёд?
Сейчас для нас потребуются только снег, чашка, термометр и немного терпения. Принесём с мороза чашку снега, поставим её в тёплое, но не горячее место, погрузим в снег термометр и будем наблюдать за температурой. Сначала столбик ртути сравнительно быстро поползёт вверх. Снег при этом остаётся ещё сухим. Достигнув нуля, столбик ртути остановится. С этого момента снег начинает таять. На дне чашки появляется вода, а термометр по-прежнему показывает нуль. Непрерывно перемешивая снег, нетрудно убедиться, что, пока весь он не растает, ртуть не сдвинется с места.
Чем же вызвана остановка температуры и как раз на то время, когда снег превращается в воду? Поступающее к чашке тепло целиком расходуется на разрушение кристалликов-снежинок. И как только последний кристаллик разрушится, температура воды начнёт повышаться.
То же самое явление можно наблюдать и при плавлении любых других кристаллических веществ. Все они требуют некоторого количества теплоты для перехода из твёрдого состояния в жидкое. Это количество, вполне определённое для каждого вещества, называют теплотой плавления.
Величина теплоты плавления для разных веществ различна. И вот именно здесь, когда мы начинаем сравнивать удельные теплоты плавления для различных веществ, вода снова выделяется среди них. Как и удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления льда намного превосходит теплоту плавления любого другого вещества.
Чтобы расплавить один грамм бензола, нужно 30 калорий, теплота плавления олова равна 13 калориям, свинца — около 6 калорий, цинка — 28, меди — 42 калории. А чтобы превратить при нуле градусов лёд в воду, необходимо 80 калорий! Такого количества теплоты достаточно для повышения температуры одного грамма жидкой воды от 20 градусов до кипения. Только у одного металла, алюминия, удельная теплота плавления превосходит теплоту плавления льда.
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.
9. Невидимый переносчик тепла
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.
