Чем обусловлена теплоемкость воды
Чем обусловлена теплоемкость воды
Большая теплоемкость воды. Удельной теплоемкостью воды называют количество теплоты, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на ГС. Вода обладает большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды, т. е. на преодоление упомянутой выше «склеенности» ее молекул.
Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью, и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, обеспечивающей им довольно значительное постоянство условий.
Большая теплота испарения воды. Скрытая теплота испарения есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для ее перехода в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии. Это объясняется существованием водородных связей между ее молекулами. Именно в силу этого температура кипения воды — вещества со столь малыми молекулами — необычно высока.
Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, а также при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например крокодилов), которые на солнцепеке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев. Большая теплота испарения означает, что отдача организмом даже больших количеств тепла сопровождается минимальными потерями воды, т. е. не обязательно ведет к его обезвоживанию.
Некоторые важные биологические функции воды 
Большая теплота плавления воды. Скрытая теплота плавления — это мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твердого вещества (в нашем случае — льда). Для плавления (таяния) льда необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.
Плотность и и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды от +4 до О °С понижается, поэтому лед легче воды и в воде не тонет. Вода — единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твердом.
Поскольку лед плавает в воде, он образуется сначала на ее поверхности и лишь затем в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоемах вообще не могла бы существовать. Лед покрывает толщу воды, как одеялом, что повышает шансы на выживание у организмов, обитающих в воде. Это важно в условиях холодного климата и в холодное время года, но, несомненно, особенно важную роль это играло в ледниковый период. Кроме того, находясь на поверхности, лед быстрее и тает. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4°С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоемах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоемы заселяются живыми организмами на большую глубину.
Большое поверхностное натяжение и когезия воды. Когезия — это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение — результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (в идеале — форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды. Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях (гл. 13). Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.
Вода как реагент. Биологическое значение воды определяется тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, т. е. участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода при фотосинтезе, а также участвует в реакциях гидролиза.
Некоторые важные с биологической точки зрения функции воды перечислены в таблице.
Теплоемкость воды: суть явления, виды и применение
Вода – источник жизни, существования планеты и всего на ней живого. Она – важная часть организма человека. При рассмотрении воды, как физического объекта, ученые пользуются такими ее характеристиками, как плотность и теплоемкость. Но если с первой величиной все более или менее ясно, то по поводу теплоемкости воды возникает масса вопросов.
Понятие теплоемкости
Теплоемкость – это термин, использующийся для указания объема тепла, которое может поглотить или отдать нагретое, или остуженное тело (физический объект). Чтобы определить теплоемкость конкретного вещества или объекта соотносят количество поглощенной или выделенной теплоты в бесконечно минимальный промежуток времени и продолжительность измерения.
В физике этот процесс характеризуется также соотношением между бесконечно малым количеством теплоты и таким же малым количеством температуры.
Теплоемкость измеряют в Джоулях – «Дж», обозначают большой латинской буквой «С». Теплоемкость величина, зависимая и непостоянная, поскольку пропорциональна содержащемуся в нем веществу. Чем больше масса тела, тем больше энергии и тепла нужно для его нагревания. Таким образом, температура и масса – это основные характеристики, которыми нужно владеть для определения теплоемкости тела. При измерении необходимо знать также температуру воздуха и давление.
Применение теплоемкости
Обычные люди редко пользуются понятием теплоемкости. Скорее всего, о нем они слышали только на школьных уроках физики. Те же, кто школу окончил давно и представить себе не могут, что давно позабытая физическая величина напрямую воздействует на их жизнь. От нее зависит, комфортными ли будут условия нашего существования. Дело в том, что теплоемкость является важной характеристикой:
Естественно, что обычные потребители, продавцы и повара в кафе, специальными расчетами не занимаются. За них это уже сделали инженеры, запрограммировав работу техники необходимым образом.
Расчет теплоемкости воды используют:
Даже при исследовании космического пространства, применяют формулы, в которых задействуется рассматриваемая величина.
Виды теплоемкости
Существует несколько разновидностей теплоемкости. В практических целях чаще всего требуется рассчитать относительную, также известную, как удельную теплоемкость воды. Это количество тепла, извлеченное телом из внешней среды для увеличения его собственной температуры на 1 градус. Величину выражают в Кельвинах. Существует несколько подвидов удельной величины. Все они зависят от выражающей их единицы. Это могут быть физическая или молярная массы, объем. Так возникают:
При этом, 1 моль равен количеству вещества, содержащего 6 на 10 в 23 степени молекул.
Та или иная величины применяются и рассчитываются в зависимости от поставленной цели. В физике их обозначают по-разному:
При переходе воды из одного агрегатного состояния в другое (она может стать льдом или паром) удельная величина меняется. Интересно, что наиболее стабильной является теплоемкость воды, подогретой до 36-37 градусов. При подогреве от 0 до 37 градусов значение ее уменьшается, а после пересечения этого рубежа повышаться.
Отопление и теплоемкость
Для снабжения римских городов водой использовали акведуки, в современные города она поступает по системе водопровода. При этом, основная задача, которая стоит перед инженерами, занимающимися обустройством центрального отопления, заключается в создании такой конструкции водопровода, благодаря которому вода поставлялась бы в дома беспрепятственно. В теплое время года проблем с поставкой воды нет, но с наступлением зимних заморозков создается угроза промерзания водопровода, перехода содержащей его воды в другое агрегатное состояние – лед, и соответственно разрушение всей конструкции (объем замерзшей воды увеличивается).
Вычислив теплоемкость идущей по трубам воды, и зная длину всего сооружения, инженер может рассчитать температуру, до которой нужно разогреть котел. Вместе с удельной вычисляют теплоемкость водяного пара (при 100 градусах вода закипает и превращается в пар), поскольку в котлах, обеспечивающих движение горячей воды по трубам, находится именно пар. Давление пара выше давления воды, поэтому при создании отопительной системы, и котлов в частности, используют чрезвычайно прочные материалы.
Теплоемкость воды нелинейно связана с температурой. Это значит, что для подогрева ее на 10 градусов, в промежутке от 30 до 40 нужно одно количество энергии, а для подогрева на эти же 10 градусов, но в промежутке от 130 до 140 – другое.
Водяное охлаждение
Поскольку для подогрева воды требуется большое количество энергии, то ее часто используют в качестве естественного охладителя. Благодаря высокой теплоемкости, она быстро отбирает излишки энергии в виде тепла из окружающей среды.
Наглядно процесс охлаждения водой чего-либо можно наблюдать и в домашних условиях. Для этого достаточно отварить яйца вкрутую и поместить их в холодную воду. Спустя некоторое время жидкость нагреется, а яичная скорлупа остынет.
Теплоемкость воды – интереснейшая из ее особенностей, благодаря наличию которой жизнь на планете происходит по привычной схеме. Зная эту физическую величину, инженеры разрабатывают новое оборудование: холодильники, приборы для обогрева, работающие на масле, котлы, являющиеся частью отопительной системы.
Удельная теплоёмкость воды, или почему мы такие, какие есть
Теплоёмкость воды (ТВ) — одно из важнейших для нашей планеты свойств воды.
Удельная теплоёмкость воды
Дадим этому термину краткое определение.
Теплоемкость вещества — это его способность аккумулировать в себе тепло. Измеряется эта величина количеством поглощаемого им тепла, при нагреве на 1°С. Например, теплоемкость воды — 1 кал/г, или 4,2 Дж/г, а почвы — при 14,5-15,5°С (в зависимости от типа почвы) колеблется от 0,5 до 0,6 кал (2,1-2,5 Дж) на единицу объема и от 0,2 до 0,5 кал (или 0,8-2,1 Дж) на единицу массы (граммы).
Теплоемкость воды оказывает существенное влияние на многие аспекты нашей жизни, но в этом материале мы сделаем акцент на ее роль в формировании температурного режима нашей планеты, а именно …
Теплоёмкость воды и климат Земли
По своему абсолютному значению теплоемкость воды достаточно велика. Из приведенного выше определения мы видим, что она существенно превышает теплоемкость почвы нашей планеты. Из-за такой разности теплоемкостей почва, по сравнению с водами мирового океана, значительно быстрее нагревается и соответственно быстрее остывает. Благодаря более инертному мировому океану колебания суточных и сезонных температур Земли не так велики, как были бы в случае отсутствия океанов и морей. Т. е. в холодное время года вода греет Землю, а в теплое охлаждает. Естественно это влияние наиболее ощутимо в прибрежных районах, но в глобальном усредненном измерении влияет на всю планету.
Естественно, что на колебания суточных и сезонных температур влияет множество факторов, но вода является одним из важнейших.
Увеличение амплитуды колебаний суточных и сезонных температур радикально изменило бы окружающий нас мир.
Например, хорошо всем известный факт — камень при резких температурных колебаниях теряет свою прочность и становится хрупким. Очевидно, что «несколько» другими были бы и физические параметры тела человека.
Аномальные свойства теплоемкости воды
Теплоемкость воды обладает аномальными свойствами. Оказывается, при повышении температуры воды ее теплоемкость уменьшается, эта динамика сохраняется до 37°C, при дальнейшем увеличении температуры теплоемкость начинает возрастать.
Заключение
В этом факте заключено одно интересное утверждение. Условно говоря, сама природа в лице Воды определила 37°C как наиболее комфортную температуру для организма человека, при условии, конечно соблюдения всех остальных факторов. При любой динамике изменения температуры окружающей среды температура воды тяготеет к 37°C.
Вот такая краткая история Теплоемкости воды 🙂