Онлайн библиотека

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. (Только водород и аммиак обладают большей, чем вода теплоемкостью). 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.

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 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 понятным, почему при одинаковом получении солнечного тепла вода в водоеме нагреется в 5 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 минус 7,5 °С) на 2% выше, чем при той же температуре, но уже в кристаллическом состоянии.

Мы только что познакомились с некоторыми особенностями теплоемкости воды. Однако наше внимание было сосредоточено только на жидкой и твердой фазах воды. При изучении теплоемкости парообразной фазы выявляются столь удивительные свойства, что без подробного рассмотрения их можно просто не поверить в реальность их существования.

Начнем с хорошо известного явления. Мы ежедневно слышим сообщения об атмосферном давлении воздуха (наряду с сообщением о температуре, влажности, силе ветра и т. д.), нормальное значение которого для высоты Санкт-Петербурга 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, все же в первом приближении наше представление недалеко от истины. 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 давления пара, но при этом он должен быть неизменно насыщенным. Он не может быть ни недонасыщенным («перегретым»), ни перенасыщенным, когда часть его 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 от 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.