Чем обусловлена высокая теплоемкость воды
Чем обусловлена высокая 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.
Отопление
Страницы
вторник, 22 марта 2011 г.
Вода и ее особенности
Чтобы испарить воду, уже нагретую до 100 oС, требуется вшестеро больше количества теплоты, чем для нагрева этой же массы воды на 80 oС (от 20 до 100 oС).
Каждую минуту миллион тонн воды гидросферы испаряется от солнечного нагрева. В результате в атмосферу постоянно поступает колоссальное количество теплоты, эквивалентное тому, которое бы вырабатывали 40 тысяч электростанций мощностью 1 млрд. киловатт каждая.
Вода лишь кажется бесформенной, растекаясь по любой поверхности. Сила поверхностного натяжения заставляет молекулы ее наружного слоя сцепляться, создавая упругую внешнюю пленку. Свойства пленки также определяются замкнутыми и разомкнутыми водородными связями, ассоциатами различной структуры и разной степени упорядоченности. Благодаря пленке некоторые предметы, будучи тяжелее воды, не погружаются в воду (например, осторожно положенная плашмя стальная иголка).
Струя химически чистой воды сечением 1 см2 по прочности на разрыв не уступает стали того же сечения. Водную струю как бы цементирует сила поверхностного натяжения. Поведение воды в капиллярах подчиняется и более сложным физическим закономерностям. Сент-Дьердьи отмечал, что в узких капиллярах возникают структурно упорядоченные слои воды вблизи твердой поверхности. Структурирование распространяется в глубь жидкой фазы на толщину слоя порядка десятков и сотен молекул (ранее предполагали, что упорядоченность ограничивается лишь мономолекулярным слоем воды, примыкающим к поверхности).
Пищевая химия: учебник для студентов вузов
Глава 4.1. Свойства воды
И вода, если бы она была обычным членом гомологического ряда, должна в соответствии со своей молекулярной массой закипать при температуре –70 о С и превращаться в лед при температуре –90 о С, а значит, не могла бы быть основой жизни на земле.
Рис. 23. Точки плавления и кипения гидридов VI группы Периодической системы элементов
Другая особенность воды – это аномальное изменение плотности в зависимости от температуры (рис. 24). В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с ростом температуры. Для воды характер изменения плотности в зависимости от температуры другой – после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при температуре 4 о С, а затем уменьшается с ростом температуры.
Рис. 24. Зависимость плотности воды от температуры
Жидкая вода имеет максимум плотности не в точке плавления, а при температуре 4 о С и ее плотность уменьшается, как при повышении температуры, так и при ее понижении до температуры возможного переохлаждения, равной – 40 о С (при 1 атмосфере). При этом плотность воды больше плотности льда на 10%, благодаря чему лед плавает на поверхности воды. При температуре 4 о С вода уменьшается в объеме до минимальных значений, а при дальнейшем понижении температуры от 4 о С до 0 о С расширяется (рис. 25).
Рис. 25. Зависимость молярного объема воды и льда от температуры
Минимум объема воды при температуре 4 о С обусловлен, по мнению Зацепиной Г.Н., особенностью межмолекулярного взаимодействия системы Н 2 О, в которой число межмолекулярных переходов протонов равно числу внутримолекулярных переходов. Вода, превращаясь в лед, благодаря увеличению объема приобретает огромную силу, способность разрушать крепчайшие породы и, вместе с тем это спасает нашу планету от оледенения. Так как максимум плотности при 4 о С предотвращает конвективное перемешивание жидкости и опускание на дно поверхностных слоев воды, остывших до температуры ниже 4 о С, что замедляет дальнейшее охлаждение и промерзание водоемов.
Морская вода, в отличие от пресной ведет себя иначе. Наличие различных солей меняет ее физико-химические свойства. Она замерзает при – 1,9 о С (переохлажденная вода) и имеет максимальную плотность при – 3,5 о С, то есть она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Переохлажденная вода, то есть остающаяся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 о С, ведет себя странно, с одной стороны плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения, но, с другой стороны она приближается к плотности льда при понижении температуры.
Другая аномалия воды – необычное поведение ее сжимаемости, то есть уменьшение объема при увеличении давления. Для обычных жидкостей сжимаемость растет с температурой – при высоких температурах жидкости более рыхлы, имеют меньшую плотность, их легче сжать. Вода так ведет себя при высоких температурах выше 50 о С. При низких температурах, от 0 о С до 45 о С сжимаемость воды меняется противоположным образом, в результате при температуре 45 о С появляется минимум. Изотермическая сжимаемость воды при температуре 0 о С в четыре раза больше, чем изотермическая сжимаемость льда (рис. 26).
Рис. 26. Зависимость сжимаемости воды от температуры
Максимальное изменение сжимаемость испытывает при плавлении. Сжимаемость воды и льда мала по сравнению со сжимаемостью других веществ (табл.4.1.1).
Таблица 4.1.1. Сжимаемость ряда веществ в интервале температур от 5 о С до 30 о С
Указание особенности изменения сжимаемости воды и льда объясняют характером водородных связей в них. На этих примерах видно, что необычные свойства воды характеризуются появлением максимумов или минимумов на кривых зависимостей от температуры. Такие зависимости означают, что имеют место два противоположных процесса, которые и определяют эти свойства. Один процесс – это обычное тепловое движение, которое усиливается с ростом температуры и делает воду, как и любую другую жидкость, более разупорядоченной. Другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.
Самая сильная аномалия воды – это температурная зависимость ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. При нагревании вещества теплоемкость, как правило, возрастает для всех веществ, кроме воды. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально – от 0 о С до 37 о С она падает и от 37 о С до 100 о С начинает повышаться. Теплоемкость водяного пара приближается к теплоемкости льда. Минимальное значение теплоемкость воды имеет около 37 о С. Это нормальная температура тела человека (36,6–37 о С), именно при этой температуре происходят сложные биохимические процессы в организме человека, значит энергетически это наиболее выгодные условия. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла изменяется незначительно (табл. 4.1.2).
Таблица 4.1.2. Теплоемкость веществ в трех агрегатных состояниях
Вода же при плавлении льда меняет теплоемкость в два раза, такого огромного скачка при плавлении не наблюдается ни у одного вещества. Теплоемкость льда имеет очень низкое значение, она близка к теплоемкости одноатомных кристаллов и равна теплоемкости твердого аммиака. В процессе плавления металлов теплоемкость практически не изменяется, для веществ из многоатомных молекул в процессе плавления она, как правило, уменьшается, что, вероятно, связано с тем, что молекулы могут свободно вращаться в жидкости, и не могут в твердом теле. Для таких соединений как Н 2 О и NH 3 теплоемкость в жидком состоянии много больше, чем в твердом состоянии. Это означает, что в воде открываются какие-то новые, энергоемкие процессы, на которые тратится подводимое тепло, что и обуславливает появление избыточной теплоемкости, причем это характерно для всего диапазона температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Эта аномалия исчезает только в паре, то есть это свойство именно жидкой воды. Для переохлажденной воды теплоемкость еще больше возрастает при сильном переохлаждении, то есть переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная. Высокая теплоемкость воды и высокая удельная теплота плавления среди простых веществ (лед трудно растопить, а воду заморозить) способствуют смягчению климата на земле, не происходит резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку существует гигантский регулятор, своеобразный термостат – воды Мирового океана.
Другой величиной, которая определяет характер теплового движения в жидкостях, является теплопроводность. Зависимость изменения теплопроводности воды от температуры приведена на рисунке 26. Для сравнения приведено изменение теплопроводности четыреххлористого углерода, который ведет себя, как обычная жидкость, то есть с ростом температуры уменьшается теплопроводность и растет теплоемкость. Как видно из рисунка 27, теплопроводность при плавлении льда уменьшается приблизительно в четыре раза. Переохлажденная вода имеет тот же характер изменения теплопроводности, что и обычная.
Рис. 27. Зависимость теплопроводности воды и четыреххлористого углерода от температуры
Все нормальные жидкости с ростом давления изменяют знак зависимости теплопроводности от температуры. Теплопроводность воды не изменяет характера температурной зависимости под давлением. Относительная величина увеличения теплопроводности воды при давлении 1200 кг/см 2 составляет около 50%, в то время как для нормальных жидкостей это увеличение при том же давлении составляет приблизительно 270%. Теплопроводность воды слабо зависит от давления, что связано с малой сжимаемостью воды по сравнению с другими жидкостями.
И, наконец, еще одно удивительное свойство воды, связанное с особенностями ее поверхностного натяжения. Вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму (капли дождя, росы). На границе двух сред (вода-воздух) силы межмолекулярного притяжения действуют с одной стороны, стягивая поверхность жидкости. На структуру поверхностного слоя воды влияет два фактора – полярность молекул воды и сетка водородных связей. Поверхностное натяжение воды 72 мн/м (миллиньютон/метр). Это поверхностное натяжение настолько велико, что смоченные водой две пластинки из стекла удается разъединить только с помощью огромных усилий. Из всех известных жидкостей силы поверхностного натяжения воды по своей величине уступают только ртути (около 500 мн/м).
Рис. 28. Зависимость сдвиговой вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода
Еще одно аномальное свойство воды – ее вязкость. Обычные жидкости с повышением давления увеличивают вязкость, а с ростом температуры уменьшают. Характер изменения вязкости у воды другой. На рисунке 28 представлена зависимость вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода. Как видно из рисунка вязкость четыреххлористого углерода до температуры около 23 о С меньше, чем у воды, а для больших температур она больше, чем у воды.
Зависимость вязкости от давления для разных температур приведена на рисунке 29, из которой следует, что для низких температур с ростом давления вплоть до 2000 атм вязкость воды уменьшается, а затем начинает расти и при температуре 100 о С кривая близка по характеру зависимости для обычных жидкостей.
Рис. 29. Зависимость сдвиговой вязкости от давления для ряда температур
Увеличение вязкости для них с ростом давления связано с уменьшением длины свободного пробега молекул, так как при большем давлении они плотнее упакованы. Как видно из приведенных характеристик, вода действительно является необычной, аномальной жидкостью и природа этих аномалий кроется в особенностях ее структуры.
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 🙂