Теплоёмкость, теплота парообразования и плотность воды

Представьте, что на улице — жара. Вы некоторое время провели под палящим солнцем, вспотели и присели, чтобы выпить стакан ледяной воды. Расслабившись, вы смотрите, как по вашим рукам бегут капельки пота, а на поверхности воды в стакане плавают кубики льда. Благодаря нашим урокам, посвящённым изучению свойств воды, вы понимаете, что и пот на руках, и плавающие кубики льда в стакане — это всё проявления удивительной способности молекул воды образовывать водородные связи.

Как это получается? Молекулы воды прекрасно образовывают водородные связи, слабые взаимодействия между частично положительными и частично отрицательными концами молекул. Водородные связи объясняют и охлаждение поверхности при испарении воды (поэтому пот охлаждает ваше тело), и низкую плотность льда (поэтому кубики плавают).

Давайте подробнее рассмотрим, как водородные связи влияют на изменение температуры, замерзание и испарение воды.

У воды есть уникальные химические характеристики во всех трёх состояниях — твёрдом, жидком и газообразном — благодаря способности её молекул образовывать друг с другом водородные связи. Поскольку почти все живые организмы, от бактерий до людей, по большей части состоят из воды, понимание этих уникальных химических свойств крайне важно при изучении биологии.

В жидком состоянии воды водородные связи постоянно образуются и разрываются, поскольку молекулы постоянно движутся друг относительно друга. Разрыв этих связей вызван энергией движения (кинетической энергией) молекул воды за счет тепла, содержащегося в системе.

Когда количество тепла увеличивается (например, при кипячении воды), кинетическая энергия молекул приводит к разрушению водородных связей, что позволяет молекулам воды переходить в газообразное состояние (превращаться в водяной пар).

С другой стороны, когда температура падает, и вода замерзает, её молекулы образуют кристаллическую решётку, поддерживаемую водородными связями (энергии тепла в этом случае недостаточно для разрыва этих связей). Такая структура делает лёд менее плотным по сравнению с водой в жидком состоянии.

Меньшая плотность воды в её твёрдом состоянии обусловливается ориентацией водородных связей при замерзании. Точнее, молекулы воды отдаляются друг от друга во время образования льда.

Это значит, что вода при замерзании расширяется. Возможно, вы наблюдали это явление, когда помещали закрытый стеклянный контейнер с жидким содержимым (например, с супом или газировкой) в морозильную камеру холодильника, а затем обнаруживали, что контейнер треснул, поскольку вода в нём замёрзла и увеличилась в объёме.

При затвердевании (то есть при понижении температуры и уменьшении кинетической энергии молекул) молекулы упаковываются в более плотную структуру, из-за чего в твёрдом состоянии плотность вещества становится выше, чем в жидком. В этом смысле вода является аномальной жидкостью, поскольку она в твёрдом состоянии имеет меньшую плотность.

Поскольку лёд менее плотный, он плавает на поверхности воды, как мы видим на примере айсберга или кубиков льда в стакане сока. В озёрах и прудах лёд образовывает своеобразный барьер на поверхности воды, защищая животных и растения под ним от замерзания.

Почему замерзание губительно для живых организмов? Вернёмся к примеру с положенной в морозильную камеру и лопнувшей бутылкой с газировкой. Если клетка замёрзнет, её жидкое содержимое увеличится в размерах, а мембрана (как замёрзшая бутылка с газировкой) разлетается на кусочки.

Для повышения температуры воды требуется большое количество тепла, поскольку часть этой энергии уйдёт на разрыв водородных связей между молекулами. Иными словами, у воды — высокая удельная теплоёмкость, которая определяется как количество тепла, необходимого для повышения температуры одного грамма вещества на один градус Цельсия. Количество тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1°C имеет название — калория.

Благодаря высокой теплоёмкости, воду можно использовать для минимизации температурных колебаний. Например, удельная теплоёмкость воды в пять раз больше, чем у песка. После заката берег моря остывает быстрее, чем вода в нём, поэтому ночью медленно остывающая вода согревает прибрежные территории. Кроме того, вода используется для распределения тепла у теплокровных животных, в этом смысле она схожа с системой охлаждения автомобиля: вода переносит тепло от более тёплых участков организма к более холодным, позволяя сохранять равномерную температуру тела.

Воду не только сложно нагревать, точно так же невероятное количество энергии требуется для её испарения, потому что часть тепла будет использована для разрыва водородных связей между молекулами, чтобы молекулы перешли в газообразное состояние. Это значит, что у воды высокая теплота парообразования, под этим термином понимается количество тепла, необходимое для превращения одного грамма жидкости в газ при постоянной температуре.

Теплота парообразования воды приблизительно равняется 540 кал/г при 100°C, то есть в точке кипения воды. Обратите внимание, что некоторые молекулы воды, те, у которых высокая кинетическая энергия, могут покидать её поверхность и при более низких температурах.

Молекулы воды, испаряясь, охлаждают поверхность, с которой они испаряются. Этот процесс называется испарительным охлаждением. Дело в том, что молекулы с самой высокой кинетической энергией теряют ее при испарении (больше информации см. в видеоролике об испарительном охлаждении). В теле человека и многих других организмов для этого используется пот, состоящий на 99% из воды. Испаряясь, он позволяет поддерживать стабильную температуру тела.