Вода и ее применение в современных технологиях

ВВЕДЕНИЕ.. 2

Глава 1 Физические свойства воды. 5

1.1 Чистая вода. 5

1.2 Плотность. 7

1.3 Точки кипения и замерзания (плавления). 9

1.4 Теплота плавления. 11

1.5 Поверхностное натяжение и прилипание. 12

1.6 Теплоемкость воды. 13

1.7 Испарение, транспирация, сублимация и конденсация. 15

1.8 Твердая вода. 16

1.9 Серебряная вода и ее применение. 18

Глава 2 Химические свойства воды. 19

2.1 Характеристика природной воды. 19

2.2 Растворимость газов в воде. 20

2.3 Растворимость твердых веществ в воде. 21

2.4 Взаимодействия воды с растворенным в ней веществом. 24

Глава 3 Использование воды в современной технике и технологиях. 27

3.1 Морская вода в промышленности. 27

3.2 Морская вода в сельском хозяйстве. 28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ... 29

ВВЕДЕНИЕ

Хотя все в природе взаимосвязано и каждая де­таль важна, все же отдель­ные явления и предметы бо­лее существенны, а другие менее при естественном равновесии как живой, так и не­живой материи. Ведь нельзя же поставить в один ряд по значимости палец и сердце. Поэтому вполне за­кономерен вопрос: какое ве­щество является самым главным, самым важным для нас в окружающем материальном мире? Ответ на этот вопрос можно дать уверенно и однозначно: это природная вода. Такой ответ, бесспорно, справедлив, во всяком случае для нашей планеты Земля.

Если человек спустится в подземные пещеры, то они поразят его сложнейшей системой многоэтажных помещений, ко­ридоров, обширных залов со сводчатыми потолками, причудливой колоннадой, то свешивающейся сверху, то растущей снизу. В этих подземных пустотах подчас встретятся вам журчащий ручей или целое подзем­ное озеро, по которому свободно можно кататься на лодке. Какой архитектор построил этот сказочный подземный дворец? Природная вода!

Обратив свой взор к небу, человек видит облака или тучи, тянущиеся на десятки, сотни, а иногда и на тысячи километров. Глядя, как легко они плывут в воздушном океане, окружающем нашу планету, некоторые люди думают, что они невесомые. Масса 1 км3 обла­ков около 2000 т, и состоят они опять-таки из природ­ной воды.

Все люди хорошо знают текущие по суше водото­ки — ручейки, речушки, реки. Иногда они низвер­гаются с высоты десятков и сотен метров водопада­ми, на многие сотни метров наполняя воздух мельчай­шей алмазной пылью, переливающейся в лучах солнца всеми цветами радуги. Иногда образуют мощные пенящиеся стремнины, вытачивающие в ска­лах причудливые формы. Крупные водотоки на сотни километров пропиливают даже в плотных породах широкие, до десятка километров, и глубокие, до многих сотен метров, долины. Все это делает сила природной воды.

Но если обратиться к самым страшным из из­вестных нам катастроф, которые переживали наша планета за геологическое время, а человечество за время своего, правда, короткого существования, та­ким, как тайфуны, смерчи, цунами, земле- и моретря­сения, извержения вулканов, когда нередко за немно­гие часы, а то и минуты уничтожались целые города и гибли сотни тысяч людей, и если мы попытаемся -вскрыть механизм природного аппарата, который вы­звал эти ужасные катастрофы, то увидим, что и в этом случае принимала участие природная вода!

Большая часть поверхности нашей планеты, около 71%, покрыта Мировым океаном, составляющим 97% всех поверхностных вод Земли и около половины всех вод литосферы. Глубина Мирового океана до­стигает 11 км. Если срезать сушу и заполнить ею дно океанической чаши, то вся планета покроется слоем воды глубиной около 3 км.

Почва и все породы, слагающие литосферу (зем­ную кору), также всегда содержат воду. Это утверждение справедливо не только для увлаж­ненных районов. Оно достоверно даже для таких мест, где годами не выпадает ни одной капли дож­дя. Это справедливо и для всех участков величай­шей «безводной» пустыни—Сахары. Да что Саха­ра! На нашей планете нет ни одного естественного предмета, тела, пылинки, которые были бы лишены воды. Все живое и неживое содержит ее. В огненной магме, изливающейся из жерл вулканов, также есть вода, причем в немалом количестве.

Да и человек, на 70% состоит из воды. Чего больше всего в нашей твер­дой и жидкой пище — в овощах, мясе, рыбе, хлебе, крупе, молоке? Природной воды! С каким веществом впервые знакомится новорожденный? С водой, в кото­рой его купают. Даже в первом вздохе новорожденный получает воду, которая всегда содержится в воз­духе. Где лучше всего во время отдыха чувствует себя здоровый человек? Конечно, во время купанья в теп­лой морской, озерной или речной воде. Недаром не­которые биологи предполагают, что колыбелью жизни на Земле были мелководные лагуны, даже и в том случае, если жизнь зародилась не на планете Земля, а была занесена на нее из межпланетного простран­ства в форме спор одноклеточных организмов.

Итак, кругом, всюду и везде, всегда и во всем,— природная вода! Воду с полным правом можно наз­вать вездесущей. Это не поэтическая гипербола.

Действительно, человечество во все времена стре­милось к познанию этого удивительного вещества — воды, прекрасно осознавая ее исключительность. Так, еще шесть тысячелетий назад у шумеров существо­вали космогонические представления, в которых воде уделялась главная роль: «Еще не было вверху неба, а внизу Земли, но уже царствовали боги океана (Апсу) и моря (Тиамата)».

В Месопотамии, в Вавилоне (в переводе с аккад­ского—врата бога), расположенном на месте более древнего шумерского города Кадингирра, возникла поэма «О сотворении мира», в которой задолго до появления Библии описаны всемирный потоп и борьба божества, охраняющего мировые воды, с чудовищем преисподней.

Тысячелетием позже древние египтяне согласно господствовавшей в их стране космогонической теории утверждали, что вначале не было ни неба, ни земли; окруженную густым мраком Вселенную напол­няла первичная вода.

Две тысячи шестьсот лет назад древнегреческий философ Фалес Милетский считал воду первоисточни­ком всего сущего.

В средние века алхимики приписывали воде совер­шенство, обозначая ее в виде опрокинутого равносто­роннего треугольника Δ. «Тела не действуют, если не растворены» — одно из основных положений алхимии, не утерявшее во многом справедливости и поныне.

Крупный немецкий профессор Ф. Ауэрбах писал:

«Самое удивительное и самое лучшее — это вода». Американские физик Дж. Дэй и химик К. Девис на­зывали воду зеркалом науки. Перефразируя это удач­ное утверждение, автор с неменьшим основанием может сказать, что отношение к воде — зеркало уче­ного-естествоиспытателя. Чем серьезнее он к ней от­носится, тем выше как ученый стоит в ряду своих коллег. Автор обращает также внимание на то, что без воздуха жизнь возможна (анаэробы), а без воды ее нет.

Известный французский писатель Антуан де Сент-Экзюпери сказал о природной воде следующее: «Нельзя сказать, что ты необходима для Жизни, ты сама Жизнь... Ты самое большое богатство в мире».

Один из крупнейших специалистов по физической химии воды Э. X. Фрицман в своей классической мо­нографии о природе воды (1935) утверждал: «Ни одно из природных веществ не играет такой выдаю­щейся и существенной роли на поверхности земного шара и в прилегающих слоях, как вода... наука и тех­ника подтвердили старое основное положение челове­чества: вода есть то, из чего происходит все, другими словами название aqua вполне себя оправдывает: aqua omnia sunt (1935, с. 5, 157).

Лучше всех из современных мыслителей значение воды определил крупнейший ученый, основоположник ряда новых научных дисциплин, биохимик и минера' лог, академик В. И. Вернадский: «Вода стоит особня­ком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных, геологических про­цессов. Нет земного вещества—минерала, горной породы, живого тела, которое ее бы не заключало. Все земное вещество... ею проникнуто и охвачено» (1960,с. 16).

Глава 1 Физические свойства воды.

Среди всех веществ, изучаемых физиками и

физико-химиками, вода во многих

отноше­ниях является самым трудным.

В. В. Шуленкин, 1968

1.1 Чистая вода.

Разумеется, под чистой водой мы подразумеваем не санитарно безупречную жидкость, а воду, отвечаю­щую по составу привычной нам со школьной скамьи химической формуле Н₂О. При этом относительная атомная масса водорода, входящего в состав соедине­ния, равна 1, а кислорода 16, никаких других веществ в форме растворенных или взвешенных примесей вода не содержит. Такой окиси водорода, состоящей из двух весовых частей водорода и шестнадцати весо­вых частей кислорода, в природе в чистом виде не существует, да и искусственно получить такое веще­ство даже в современных лабораториях крайне труд­но, а если и возможно, то только на очень короткий отрезок времени, измеряемый секундами. (3)

Природная вода, где бы она ни находилась и в ка­ком бы агрегатном состоя­нии (газообразном, жидком или твердом) ни была, всегда представляет собой раствор других веществ, газообразных, жидких или твердых, а также содер­жит подчас в незначительных количествах другие воды (с другими относительными атомными массами водорода и кислорода и другими свойствами). Стало быть, вода — понятие собирательное.

Что же представляет со­бой та идеальная «чистая» вода Н₂О с физической точки зрения? Как и боль­шинство веществ, вода состоит из молекул, а послед­ние из атомов. Структура атома следующая: вокруг положительно заряженного протонного ядра на опре­деленных уровнях по различным орбитам движутся отрицательно заряженные электроны, образующие электронное облако. Число электронов в каждой оболочке для атома каждого элемента строго опреде­ленное. Так, у атома водорода лишь одна оболочка с единственным электроном, а у атома кислорода — две оболочки: внутренняя с двумя электронами и внешняя с шестью. Образование молекулы воды из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 1). Два атома водорода замещают вакансию двух недостающих (до восьми) электронов наружной оболочки для ее устойчивости.

Можно было бы предполагать, что атом кислоро­да и два атома водорода в молекуле воды образуют у центрального атома кислорода угол, близкий к 180°. Однако в действительности он значительно меньше — всего 104° 27' (рис. 2), что приводит к не­полной компенсации внутримолекулярных сил, избы­ток которых обусловливает асимметрию распределе­ния зарядов, создающую полярность молекулы воды. Эта полярность у воды, более значительная, чем других веществ, обусловливает ее дипольный момент и диэлектрическую проницаемость. Последняя у воды весьма велика и определяет интенсивность растворе­ния водой различных веществ. При 0°С диэлектриче­ская проницаемость воды (в твердой фазе) состав­ляет 74,6; с повышением температуры она падает. Так, при 20° С диэлектрическая проницаемость воды равна 81.

Многочисленные схемы строения молекулы воды являются гипотетическими, построенными на косвен­ных наблюдениях приборами некоторых признаков поведения и свойств молекул и атомов. При этом следует помнить, что ни атомы, ни молекулы не имеют четких границ размеров орбит, по которым движутся электроны, образующие по сути дела электронное об­лако, зависящее от энергетического состояния элект­рона (рис.2).

1.2
Плотность.

Несмотря на то что вода — вещество, принятое в качестве эталона меры плотности, объема и т. д. для других веществ, сама вода, как это не странно, является самым аномаль­ным среди них. Этих удивительных аномалий у воды много, рассмотрим лишь основные из них.

Общеизвестно, что все вещества при нагревании увеличивают свой объем и умень­шают плотность. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до 4°С, когда с воз­растанием температуры объем воды не увеличивает­ся, а, наоборот, сокращается. Максимальная плотность отмечается при 4°С (рис. 3). Таким образом, для воды зависимость между объемом и температурой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ), а двузначна. Например, при 3 и 5°С мас­са воды занимает один и тот же объем, так же как и при 0, 2 и 8 °С и т. д. Несмотря на указанную ано­малию, вода служит эталоном плотности при 4°С, когда 1 см3 ее имеет массу 1 г.

Что же будет происходить с объемом воды при дальнейшем понижении температуры? Оказывается, что ниже 0°С он продолжает увеличиваться, но толь­ко при условии переохлаждения. Однако переохлаж­дение требует исключительных условий: полной непо­движности воды и отсутствия центров кристаллизации льда (пыли, кристалликов льда и т. п.) (рис. 4).

Вода, лишенная растворенных газов, может быть переохлаждена до минус 70 °С без превращения в лед. При легком встряхивании либо при введении льдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превращается в лед и температура ее под­скакивает (на 70 °С) до 0°С. Вода также может быть доведена до 150 °С без закипания. При вве­дении в такую перегретую воду пузырька воздуха она мгновенно вскипает, и температура ее падает до 100°С.

При замерзании объем воды возрастает внезапно примерно на 11% и так же внезапно, скачком, умень­шается в обратном направлении при таянии льда при

превращении ее в лед происходит расширение объема, что приводит к возникновению избыточного давле­ния, достигающего, как показывают наблюдения, 2500 кгс/см². Именно этим объясняются как разру­шительная сила замерзающей воды в замкнутых пус­тотах, трещинах горных пород, откалывающая подчас многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мелкие осколки, так и страшные взрывы наледей, описание которых будет приведено ниже, а также разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.

Здесь следует сделать одну существенную оговор­ку. Все рассмотренные выше процессы происходят при указанных температурах лишь при условии абсолют­ного давления, равного 1 атм. С увеличе­нием давления температура замерзания воды пони­жается примерно на 1 °С через каждые 130 атм. Так, при давлении 500 атм замерзание наступает при температуре минус 4 °С, а при давлении 2200 атм — при минус 22 °С. Эта зависимость для воды аномаль­на, так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. По­добная аномалия воды очень важна в природе. Даже без учета растворенных в воде солей на больших глубинах в океане вода не замерзает, например при температуре минус 3°С она не замерзнет даже на глубине около 4000 м, а на больших глубинах тем более.

С повышением температуры жидкой воды ее плот­ность понижается: на интервале от максимальной плотности при 4°С, равной 1, до точки кипения воды 100 "С—на 4% (от 1 до 0,95838).

С повышением минерализации воды (т. е. коли­чества содержащихся в ней минеральных веществ) повышается и температура, при которой вода имеет максимальную плотность. Так, на поверхности Миро­вого океана плотность воды 1,02813, а на глубине 10км 1,07104 (разница 0,04291, или 4%). Таким обра­зом, установившееся мнение о практической несжи­маемости воды справедливо только для сравнительно малых давлений. Если бы вода была совершенно не­сжимаема, уровень океана поднялся бы на 30 м.

В этом случае большая часть Ленинграда, например, была бы затоплена.

Важным обстоятельством в природе является то, что максимальная плотность воды, как отмечалось выше, наблюдается при 4 °С, а лед оказывается легче жидкой воды и поэтому плавает на ее поверх­ности. Если бы этого не было, то водоемы и водо­токи промерзали бы зимой до самого дна, что было бы настоящей катастрофой для всего живого в них. Впрочем, эта особенность воды при некоторых усло­виях имеет исключения. Речь идет о возможности образования донного или внутриводного льда, о чем подробнее будет сказано в разделе о поверхностных водах.

1.3 Точки кипения и замерзания (плавления).

Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления: с увеличением давления она возрастает (рис. 5). Это свойство воды раньше использовалось для определе­ния высоты местности в горах. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.

Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания (плавления) воды, с повыше­нием давления она падает (но только до давления 2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17; при 6380 атм—при 0°С, при 16500 атм—при 60, а при 20 670 атм — при 76 °С. В последних двух случаях мы уже имеем горячие льды. Возможно ли существова­ние в земных недрах сочетания таких температур и давлений? В свободно циркулирующих в породах Земли водах, безусловно, нет, так как даже на гра­нице нижней литосферы и верхней мантии, называе­мой границей Мохоровичича (как мы увидим из даль­нейших глав), где давление приблизительно 10000 атм, температура никак не может быть равна 30 "С,

а всегда и везде будет значительно выше. Таким Образом, встреча горячего льда здесь исключается. Выше же границы Мохоровичича совершенно исклю­чаются давления выше 6000 атм, которые необходи­мы для образования горячего льда.

При давлении 1 атм аномальны точки замерзания (плавления) и кипения воды (соответственно 0 и 100°С). Если взять ряд соединений водорода с эле­ментами группы Via периодической системы Мен­делеева — Н₂Те, H₂Se H₂S и H₂O — с учетомих относительной молекулярной массы, то окажется, что точки замерзания и кипения воды не укладываются в закономерность, общую для трех других соединений, у которых чем больше относительная молекулярная масса, тем выше точки кипения и замерзания. Точ­ка замерзания воды должна была бы находиться между минус 90 и минус 120 °С, а в действительности она приходится на ±0 °С. То же самое можно ска­зать о точке кипения воды, которая должна была бы быть между 75 и 100 °С (рис. 5).

При нормальном давлении вода может «замер-рать» и при положительной температуре. Это наблюдается, например, в газопроводе, когда проходящий по нему газ (в основном метан) плохо осушен, т.е. в нем присутствует вода. Объем молекулы газа по сравнению с объемом молекулы воды значительно больше, что приводит к понижению внутреннего давления и к повышению температуры замерзания от нескольких градусов до 20 °С. Выпадающий «лед» содержит много газа (газогидрат).

Сам факт существования воды в обычных для земной поверхности термодинамических условиях во всех трех фазах (твердой, жидкой и газообразной) делает это вещество крайне удивительным и необык­новенным.

1.4 Теплота плавления.

Познакомимся с еще одной аномалией воды, называемой, может быть, не очень удачно «скрытой теплотой плавления воды». У воды она очень высока — около 80 кал/г (для сравнения «скрытая» теплота плавления чистого железа — 6, серы—9,5 и свинца—5,5 кал/г). Как же проявля­ется эта аномалия? Лед при давлении 1 атм может иметь температуру от минус 1 до минус 7°С. Каза­лось бы, чем ниже температура льда, тем больше потребуется тепла, для того чтобы растопить его. Этот вывод как будто настолько естествен, что не­посвященный в физику тепла вряд ли станет его оспаривать. Но, оказывается, этот вывод не бесспорен. Например, при температуре льда 7°С ниже нуля скрытая теплота плавления составит не 80, а только 76 кал/г! Вот это уже бесспорная и довольно неожи­данная аномалия. С каждым градусом понижения температуры льда теплота плавления уменьшается чуть ли не на полкалории. Объясняется это тем, что удельная теплоемкость у льда меньше, чем у воды.

Скрытая теплота парообразования (539 кал/г) почти в 7 раз выше, чем скрытая теплота плавления. Чтобы превратить жидкую воду с температурой 100 °С в пар с такой же температурой, нужно затра­тить поистине гигантскую энергию, в то время как '/з этой энергии вполне достаточно, чтобы превратить в пар спирт, и '/в, чтобы жидкую ртуть сделать парообразной. Можете теперь себе представить, какой громадной внутренней энергией в скрытой форме об­ладает водяной пар, и это только при 100 °С! А если его нагреть до 500 °С, то 1 г его потенциально будет содержать порядка 1000 кал тепла. К сожалению, реализовать эту скрытую энергию практически очень трудно.

Как известно, пар используется в паровых машинах, которых становится все меньше и меньше из-за исключительно низкого (ниже) к. п. д. и не только в силу невозместимых естественных потерь на тре­ние, излучение, теплопроводность и других, но и по причинам малой разности температур между граница­ми существования воды, а также малого контраста между температурой окружающего воздуха и точкой парообразования. Эти обстоятельства в настоящее вре­мя заставляют заменить паровые двигатели двигате­лями внутреннего сгорания, электрическими и другими.

Что же касается скрытой теплоты парообразова­ния, то тут аномальности не наблюдается. Чем хо­лоднее жидкая вода, тем больший приток тепла нужен ей, чтобы обратить ее в пар. Так, при 0°С теплота парообразования 587 кал, при 50 °С — 568, а при 100 °С — 536, при 150 °С — 446 кал.

1.5 Поверхностное натяжение и прилипание.

Поверхностное натяжение — это способность пограничных молекул воды, а также твердых тел сцепляться, «стягиваться», самоуплотняться (когезия). На поверхности воды образуются сцепления молекул, создающие пленку натяжения, для разрыва которой потребуется немалая сила. На этой пленке могут лежать, не погружаясь в воду, предметы, кото­рые в 8 раз и более тяжелее воды, например лез­вие безопасной бритвы, иголка и др. Поверхностное натяжение воды при 18°С составляет 72 дин/см— это очень высокое значение (сравните: для спирта оно составляет 22, для ацетона 24, для бензина 29 дин/см). Только ртуть имеет еще более высокое по­верхностное натяжение — 500 дин/см.

Теоретически установлено, что для разрыва стол­бика чистой воды диаметром 2,5 см потребуется при­ложить усилие 95 те. Поскольку, как уже упоминалось выше, совершенно чистой воды в природе нет, да и в лабораторных условиях получить ее почти невоз­можно, то в условиях эксперимента с не совсем чистой водой для разрыва столбика воды сечением 6,5 см² потребуется усилие в пределах «только» 1 те, что близко к прочности стали.

У воды есть и еще одно удивительное свойство — «прилипание» (адгезия), которое можно наблюдать в узких стеклянных трубках (капиллярах), где вода

Поднимается вверх вопреки силам притяжения (гравитации). В таких трубках сочетаются силы сцепления молекул воды в пограничном с воздухом слое со способностью воды смачивать стекло, «прилипать» к нему. В результате в капилляре образуется вогнутая поверхность выше естественного уровня воды. У рту­ти, обладающей более высоким поверхностным натя­жением, адгезия отсутствует, поэтому ртуть в капил­лярной трубке имеет не вогнутую, а выпуклую поверхность. Необходимо заметить, что к поверхно­стям, покрытым жировым слоем, например парафи­ном, вода не прилипает и мениск ее в капилляре, подобно мениску ртути, будет не вогнутый, а выпук­лый.

Существует понятие капиллярной постоянной, ко­торая равна произведению высоты подъема жидкости на радиус капилляра. Капиллярная постоянная для чистой воды линейно уменьшается с увеличением температуры, а при достижении критической (см. ни­же) становится равной нулю. Предельная высота капиллярного подъема воды при 15 °С составит в крупном песке около 2, в мелком 1,2 м, а в чистой глине 12 м, причем продолжительность подъема для крупных капилляров—5—10 суток, а для мелких до 16 месяцев.

1.6 Теплоемкость воды.

Остановимся на следу­ющей аномалии воды, которая связана с ее теплоем­костью. Теплоемкость воды сама по себе не аномаль­на, но она в 5—30 раз выше, чем у других веществ. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды, удельная теплоемкость с повышением температуры возрастает. У воды же удельная теплоемкость в ин­тервале температур от 0 до 35 °С. падает, а затем начинает возрастать (рис. 6).

Удельная теплоемкость воды при 16 °С условно принята за 1 и служит, таким образом, эталоном меры для других веществ. Как и плотность, удельная теплоемкость воды в зависимости от температуры не однозначна, а двузначна. Например, при 25 и при 50 °С она одинакова — 0,99800 кал/(г-°С). Теплоем­кость льда на интервале от 0 до минус 20 °С в сред­нем 0,5 кал/(г-°С), т. е. в два раза меньше, чем у

Только водород и аммиак обладают большей, чем вода, теплоемкостью. жидкой воды. Удельная теплоемкость спирта и гли­церина—0,3 (в три раза меньше, чем у воды), железа—0,1, платины—0,03, дерева—0,6, а ка­менной соли и песка—0,2 кал/(г-°С). В связи со сказанным выше становится попятным, почему при одинаковом получении солнечного тепла вода в водо­еме нагреется в b раз меньше, чем сухая песчаная почва на берегу, но при этом вода во столько же раз дольше будет сохранять тепло, нежели песок. Любопытно, что теплоемкость воды в переохлажден­ном состоянии (например, при - 7,5 °С) на 2% выше, чем при той же температуре, но уже в кри­сталлическом состоянии.

Мы ежед­невно слышим по радио сообщения об атмосферном давлении воздуха (наряду с сообщением о темпера­туре, влажности, силе ветра и т. д.), нормальное значение которого для высоты Ленинграда над уров­нем моря 760 мм рт. ст., а для Москвы, лежа­щей выше уровня моря на 124 м, 758 мм рт. ст. Мы все привыкли к тому, что при падении давления ни­же нормы можно ожидать дождя, а при подъеме выше нормы – сухой погоды. Хотя с метеорологической точки зрения сухая и влажная погода определяются комплексом условий, а не одним только давлением. Многие люди, вероятно, помнят, что на старых анероидах помимо шкалы с делениями на миллиметры ртутного столба, были надписи: «великая сушь», «сушь», что отвечало дав­лению, превышающему норму, для данной местности, «переменно» — для нормального давления, «дождь», «буря» — для давления ниже нормы.

Вдумайтесь в сказанное. Ведь конденсация водя­ных паров в жидкость по законам физики должна происходить при увеличении давления, а при его па­дении процесс должен протекать в обратном напра­влении, т. е. жидкость должна превращаться в пар. В чем же здесь дело? Для ответа нам придется рас­смотреть особенности удельной теплоемкости паров воды. При давлении 1 атм и температуре 100 °С из 1 л воды образуется 1600 л пара. Для определе­ния удельной теплоемкости пара ограничим его со­стояние двумя случаями: пар находится либо в зам­кнутом объеме, либо в сосуде, позволяющем пару расширяться при передаче ему тепла при сохранении постоянного давления. В последнем случае темпера­тура и объем меняются.

Теплоемкость пара для принятых условий разная, и эта разница весьма существенна, причем не только для воды, но и для многих других веществ, например у ртути до 20%. Но при этом у воды обнаруживается аномалия: при 4°С теплоемкость в обоих случаях одинакова и лишь с повышением температуры она становится разной. При этом минимальная теплоем­кость наблюдается при постоянном давлении и при температуре 27 °С, а при постоянном объеме такого минимума не наблюдается и с повышением темпера­туры теплоемкость постепенно снижается. Заметим, что одна и та же масса воды, находящейся в паро­образном состоянии, может быть нагрета в два-три раза легче, чем та же масса жидкой водой. Еще раз напомним, что объемы этих двух фаз воды отно­сятся друг к другу, как 1600 : 1.

А теперь рассмотрим эти же два случая (определе­ние теплоемкости при постоянном объеме и при по­стоянном давлении) для насыщенного пара. В приня­тых нами условиях возможно изменение температуры и превращается в мельчайшие капельки тумана.

Проведем с насыщенным паром, следующий опыт. Сосуд с насыщенным паром защитим от случайного поступления или потери тепла (теплоизолируем). При изменении давления в сосуде, казалось, можно ожи­дать один из двух случаев: либо при повышении дав­ления (и уменьшении объема пара) он станет перена­сыщенным с образованием тумана, либо в результате увеличения температуры он перегреется. Что же надо сделать, чтобы привести пар в первичное состояние? При перенасыщении его следует дополнительно на­греть (т. е. сообщить положительное количество тепла), при недонасыщении нужно от него отнять тепло, охладить (т. е. сообщить ему отрицательное количество тепла). В первом случае теплоемкость будет положительной, а во втором отрицательной. И вот в действительности оказывается, что теплоем­кость насыщенного водяного пара при всех темпера­турах и давлениях всегда отрицательная!

Этот поразительный и малопонятный результат эксперимента имеет место не только в лабораторных условиях, но и в природе. При повышении давления водяной газ (пар) не образует тумана и остается прозрачным, а при разрежении туман образуется. Правда, последнее происходит при наличии центров конденсации (пылинок), но их в атмосфере всегда достаточно.

Помимо описанных аномалий у этого удивитель­ного вещества, каким является вода, существуют и другие аномалии (например, аномальная дисперсия, рассеяние, в области электрических и световых лу­чей и др.), но на них, чтобы не утруждать читателя, мы останавливаться не будем.

1.7 Испарение, транспирация, сублима­ция и конденсация.

Общеизвестно, что ис­парение—переход вещества из жидкого или твер­дого состояния в газообразное (в пар). Обычно под испарением жидкости понимают превращение ее в пар, а испарение твердых тел называется сублима­цией (или возгонкой). Обратный процесс, т. е. пере­ход вещества из газообразного состояния в жидкое, именуется конденсацией. Испарение воды с поверх­ности растений носит название транспирации.

При испарении молекулы переходят из жидкости в пар, преодолевая силы молекулярного сцепления в жидкости. Процесс испарения протекает изотерми­чески, т. е. при постоянной температуре. Скорость испарения определяется массой жидкости, испаря­ющейся за единицу времени с единицы поверхности. Одной из количественных характеристик процесса испарения воды в атмосферу является дефицит влажности, определяемый разностью между предельной упругостью водяного пара для данной темпера­туры и фактической упругостью.

Если воздух в помещении полностью насыщен парами воды или если из наполненного до краев стакана вода не убывает, но и не прибывает, это значит, что испарение отсутствует, т. е. мы имеем состояние динамического равновесия.

До последнего времени считалось, что лед может переходить в пар, минуя жидкую фазу, т. е. Происходит процесс сублимации. Однако последние более детальные исследования показали, что это далеко не так. В действительности поверхность льда покрыта даже при отрицательных температурах переохла­жденной квазижидкой пленкой связанной воды. Та­ким образом, испаряется не лед, а непрерывно по­полняющаяся пленочная жидкая вода за счет подплавления льда. Это обстоятельство имеет очень большое народнохозяйственное значение при строи­тельстве самых разнообразных подземных хранилищ в условиях многолетнемерзлых грунтов.

1.8 Твердая вода.

Когда произносят слово «вода», то подразумевают обычно, что речь идет о жидкости. Но вода часто находится в твердом сос­тоянии — в виде льда.

В первой четверти нашего века немецкий химик Г. Тамман и американский физик П. Бриджмен вы­явили шесть разновидностей льда, различающихся давлениями и температурами (рис. 7):

Лед I - обыкновенный лед, существующий при давлении до 2200 аты, устойчивый в нормальных условиях, при дальнейшем повышении давления (выше 2200 атм) пе­реходит в разновидностьII.

Лед II-с уменьшением объема на 18—20% тонет в воде, его плотность 1,2 г/см³ (при 0°С), очень неустойчив, лег­ко переходит в модификацию III.

Лед III - также тяжелее воды (его плотность больше плотности льда I, из которого непосредственно может быть полу­чена описываемая модификация, на 5%).

Лед IV -легче воды, существует при небольшом давлении и температуре немного ниже О "С, неустойчив и легко переходит в разновидность I.

Лед V — может существовать при давлении от 3,6 до 6,3 кбар, его плотность выше плотности льда III на 5,5 и воды на 6%.

Лед VI -может быть получен непосредственно из воды при тем­пературе 60 °С и давлении 16,5 кбар (при давлении 21 кбар температура этой модификации льда 76 "С), его плотность выше плотности льда V на 4 и воды на 6%.

Эти шесть модификаций льда образуют резко раз­личные полимерные группы. В одну группу могут быть включены льды, которые легче вод (лед I, IV), в другую—более тяжелые (лед III, V и VI). При плавлении льды первой группы сокращаются в объеме, а второй, наоборот, увеличиваются. Разли­чия между модификациями льда обусловлены не хи­мическими свойствами, а молекулярным строением льда.

По-видимому, здесь отчасти кроется причина образования в некоторых случаях так называемого донного льда, о котором подробнее будет идти речь в дальнейшем.

Как правило, различные модификации льда даже при высоких давлениях по плотности близки к плот­ности обычного льда (различия в плотности обычно не превышают 6%). Однако в астрофизическом цент­ре университета в Толедо (США, штат Огайо) амери­канскими учеными А. Дальсом и А. Венджером была открыта сверхплотная модификация льда при темпе­ратуре ниже минус 173 °С и давлении (6— 8) -Ю-³ мм рт. ст. Плотность этой модификации 2,3 г/см³ (по плотности он близок к гнейсу — 2,4 г/см³). Этот лед аморфен и может играть большую роль в физике планет и комет.

Замерзание природной воды зависит от темпера­туры, давления, минерализации (количества растворенных веществ) и изотопного состава. Так, при кон­центрации раствора поваренной соли NaCI 5 г/л он замерзнет при минус 0,38; 50 г/л — при минус 3,78 и, наконец, 100 г/л—при минус 7,44 °С. Дальнейшее увеличение минерализации не предохраняет раствор от замерзания, происходит процесс вымораживания, которым пользуются, например, при добыче соли. В результате образуется чистый лед, а концентрация оставшегося жидкого раствора повышается.

Каждой, температуре соответствует вполне определенная концентрация раствора. Так будет продолжаться до тех пор, пока температура не упадет до минус 21,9°С, а концентрация раствора при этом достигнет 224 г/л, после чего раствор затвердеет, образуется эвтектическая смесь кристаллов льда и соли, называемая криогидратом. По данным Н. Н. Зу­бова (1945), лед образуется из морской воды при минерализации 10 г/л при температуре 0,5; при 100 г/л — при 6,4, а при 260 г/л при минус 23 °С.

Лед очень прозрачен для солнечной энергии, осо­бенно для ультрафиолетового излучения. Снег, хотя и меньше, но тоже довольно хорошо пропускает сол­нечное излучение. Но даже самые тонкие (1—2мм)слои льда совершенно не прозрачны для тепловой длинноволновой радиации и земного излучения. Эта особенность имеет большое значение для нагре­вания воды подо льдом. Теплопроводность льда довольно высокая—53·10^-4 кал/ (см · сек · °С); для срав­нения: теплопроводность воды—14, а воздуха— 0,57 кал/(см · сек · °С).

излучений и т. д.

1.9 Серебряная вода и ее применение.

Еще 2500 лет назад пер­сидский царь Кир во время походов пользовался водой, сохраняемой в серебряных сосудах. В древней Индии для обезвреживания воды от патогенной микрофлоры в нее погружали раска­ленное серебро. Многовековой опыт показал, что ионы серебра подавляют размножение многих бак­терий.

Впервые научные наблюдения над серебряной во­дой в конце XIX в. провел швейцарский ботаник К. В. Негели. С тех пор во многих странах было выполнено значительное число работ по изучению эффективных способов ее получения и применения, выпущена обильная литература о серебряной воде. В нашей стране разработаны и выпущены в продажу специальные приборы для получения в домашних условиях электролитического раствора серебра, Серебряная вода использовалась при полетах космо­навтов. В Японии и в США серебро применяется для обеззараживания воды в плавательных бассей­нах, а в Китае — для производства минеральных и фруктовых вод. Серебряная вода может применяться для консервирования сливочного масла, маргарина, меланжа, молока, микстур и даже для ускорения