Вода (h2o)

Интересные факты

Многие столетия вода считалась простым веществом. В 1783 году химик Лавуазье смог разложить воду на два вещества и предположить количественное их соотношение в молекуле.

Вода – сильный поглотитель солнечной энергии. У воды есть замечательное свойство – медленно нагреваясь, она и медленно остывает. Мировой океан планет накапливает тепло летом и отдаёт его зимой. Так сглаживаются скачки температуры на планете. Суточные и сезонные колебания температуры уменьшаются вблизи водных объектов. Чем меньше в той или иной местности крупных водоемов, тем более резкоконтинентальный там климат.

Удельная теплота конденсации

Нужно ли сообщать пару энергию при его конденсации? Давайте рассмотрим простой опыт (рисунок 1).

Нальем в сосуд воду и закроем его пробкой. Через пробку проведем трубку и направим ее на кусочек охлажденного стекла. Доведем воду до кипения с помощью горелки.

Рисунок 1. Выделение энергии при конденсации пара

Пар, поднимающийся над кипящей водой, будет конденсироваться, соприкасаясь с холодным стеклом. Если мы дотронемся до стекла, то обнаружим, что оно очень сильно нагрелось. 

Так энергия пара передается стеклу. В результате этой потери энергии пар конденсируется. Если бы температура стекла была равна температуре пара, то теплопередача бы не происходила, и конденсат не образовывался бы.

Это говорит о том, что при конденсации пар отдает, выделяет энергию.

Более точные опыты также показывают, что 

Значит, при превращении $1 \space кг$ водяного пара в воду при температуре $100 \degree C$ выделяется $2.3 \cdot 10^6 \space Дж$ энергии.

{"questions":}},"hints":}]}

Это довольно большая энергия, поэтому человечество стремится ее использовать. Например, на крупных тепловых электростанциях паром, который уже прошел через турбины, нагревают воду. Ее, в свою очередь, используют для отопления зданий и бытовых нужд.

Удельная теплота плавления

Для того, чтобы расплавить какое-либо вещество в твердом состоянии, необходимо его нагреть. И при нагревании любого тела отмечается одна любопытная особенность

Особенность такая: температура тела растет вплоть до температуры плавления, а потом останавливается до того момента, пока все тело целиком не перейдет в жидкое состояние. После расплавления температура вновь начинает расти, если, конечно, продолжать нагревание. То есть, существует промежуток времени, во время которого мы нагреваем тело, а оно не нагревается. Куда же девается энергия тепла, которую мы расходуем? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть внутрь тела.

В твердом теле молекулы расположены в определенном порядке в виде кристаллов. Они практически не двигаются, лишь слегка колеблясь на месте. Для того, чтобы вещество перешло в жидкое состояние, молекулам необходимо придать дополнительную энергию, чтобы они смогли вырваться от притяжения соседних молекул в кристалликах. Нагревая тело, мы придаем молекулам эту необходимую энергию. И вот пока все молекулы не получат достаточно энергии и не разрушатся все кристаллики, температура тела не повышается. Опыты показывают, что для разных веществ одной массы требуется разное количество теплоты для полного его расплавления.

То есть существует определенная величина, от которой зависит, сколько тепла необходимо поглотить веществу для расплавления. И величина эта различна для разных веществ. Эта величина в физике называется удельная теплота плавления вещества. Опять же, вследствие опытов установлены значения удельной теплота плавления для различных веществ и собраны в специальные таблицы, из которых можно почерпнуть эти сведения. Обозначают удельную теплоту плавления греческой буквой λ (лямбда), а единицей измерения является 1 Дж/кг. 

Формула удельной теплоты плавления

Удельная теплота плавления находится по формуле:

λ=Q/m,

где Q – это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело массой m.

Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при отвердевании данного тела. 

Для примера, удельная теплота плавления воды в твердом состоянии, то есть, удельная теплота плавления льда равна 3,4*105 Дж/кг.  Эти данные позволяют рассчитать, сколько потребуется энергии, чтобы расплавить лед любой массы. Зная также удельную теплоемкость льда и воды, можно рассчитать, сколько точно потребуется энергии для конкретного процесса, например, расплавить лед массой 2 кг и температурой — 30˚С и довести получившуюся воду до кипения. Такие сведения для различных веществ очень нужны в промышленности для расчета реальных затрат энергии при производстве каких-либо товаров.

Таинственный резервуар

Вот и пришло время вернуться к вопросу о том, какой же таинственный резервуар запасания энергии при повышении температуры воды работает в дополнение ко всем возможным колебательным степеням свободы молекул воды.

По-видимому, дополнительные затраты энергии на повышение температуры воды связаны с продолжающимся разрушением той самой ажурной решетки льда, т.е. энергия расходуется на разрыв связей между молекулами. Совпадение теплоемкости воды с величиной, которая фигурирует в законе Дюлонга и Пти, таким образом, следует признать случайным.

Давайте грубо оценим соотношение между количеством молекулярных связей, которые рвутся при плавлении льда, и количеством связей, которые рвутся при повышении температуры воды от 0°С до 100°С и при испарении воды.

Разрыв большей части связей происходит при испарении воды. Удельная теплота испарения воды при атмосферном давлении равна 2,3 МДж/кг, причем из этой величины примерно 0,17 МДж/кг приходится на работу, которую расширяющийся водяной пар совершает против сил атмосферного давления (на разрыв связей остается 2,13 МДж/кг). Удельная теплота плавления льда равна 0,34 МДж/кг. Количество теплоты, которое нужно, чтобы нагреть 1 кг воды на 100°С, равно 0,42 МДж/кг, причем из этого количества только около одной четверти приходится на недостающую часть теплоемкости (примерно 0,107 МДж/кг). По нашим оценкам получается, что на разрыв всех связей тратится приблизительно 2,56 МДж/кг.

Итак, по мере нагрева сначала 13% связей рвутся при таянии льда, затем 4% связей рвутся в процессе нагрева воды от 0°С до 100°С, а оставшиеся 83% связей рвутся при испарении воды. Случайное совпадение — 0,04% связей рвутся при нагреве воды на 1 кельвин — привело к тому, что жидкая вода формально подчиняется закону Дюлонга и Пти.

Самый существенный вывод, который можно сделать на основе проведенных оценок, таков: структура воды в диапазоне температур от 0°С до 100°С более чем на 80% повторяет структуру льда. Если учесть, что на одну водородную связь приходится примерно 2·104 Дж/моль энергии, то при испарении воды тратится столько энергии, что на каждую испарившуюся молекулу приходится примерно по 2 разорванные водородные связи. Это означает, что молекулы в жидкой воде в среднем занимают положения и ориентации, соответствующие тетраэдрической пространственной структуре типа алмаза. (Экспериментальные данные, полученные с помощью рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и других физических методов, позволяют утверждать, что трехмерная приближенно тетраэдрическая сетка водородных связей существует и у льда, и у жидкой воды.)

Вещества и их удельная теплота плавления

В качестве примера можно привести удельную теплоту плавления льда:

. Или удельную теплоту плавления железа:

То, что удельная теплота плавления льда получилась больше удельной теплоты плавления железа, не должно удивлять. Количество теплоты, которое необходимо тому или иному веществу для плавления, зависит от характеристик вещества, в частности, от энергии связей между частицами данного вещества.

На этом уроке мы рассмотрели понятие удельной теплоты плавления.

На следующем уроке мы научимся решать задачи на нагревание и плавление кристаллических тел.

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Физика, механика и т. п. (Источник).
2. Классная физика (Источник).
3. Интернет-портал Kaf-fiz-1586.narod.ru (Источник).

Домашнее задание

1. П. 15, упр. 8 (1–5), вопросы 1–6. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Можно ли в алюминиевом сосуде расплавить свинец? Серебро?
3. Почему медные провода легче спаять, чем соединить с помощью сварки?
4. Какую энергию необходимо затратить, чтобы расплавить кусок свинца массой , взятый при температуре ?

Плавлением в физике называют переход вещества из твердого состояния в жидкое. Классическими примерами процесса плавления являются таяние льда и превращение твердого куска олова в жидкий припой при нагревании паяльником. Передача телу определенного количества тепла приводит к изменению его агрегатного состояния.

Примеры расчета длины волны для звуковых, электромагнитных и радиоволн

Задача №1

Скорость звука в воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний равна 725 Гц?

Задача №2

Мимо неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу озера, за 6 с. прошло 4 гребня волны. Расстояние между первым и третьим гребнями равно 12 м. Определить период колебания частиц волны, скорость распространения и длину волны.

Задача №3

Голосовые связки певца, поющего тенором (высоким мужским голосом), колеблются с частотой от 130 до 520 Гц. Определите максимальную и минимальную длину излучаемой звуковой волны в воздухе. Скорость звука в воздухе 330 м/с.

Предыдущая запись Количество теплоты — формула, уравнения и расчеты
Следующая запись Звуковые волны — свойства, характеристики и примеры применения в физике

Удельная теплота плавления — СПИШИ У АНТОШКИ

То есть существует определенная величина, от которой зависит, сколько тепла необходимо поглотить веществу для расплавления. И величина эта различна для разных веществ. Эта величина в физике называется удельная теплота плавления вещества. Удельная теплота плавления показывает, какое кол теплоты необходимо для полного превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое, взятого при температуре плавления.Обозначают удельную теплоту плавления греческой буквой λ (лямбда), а единицей измерения является 1 Дж/кг.

Формула удельной теплоты плавления

Удельная теплота плавления находится по формуле:

λ = Q/m,

где Q – это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело массой m.

Количество теплоты, необходимой для плавления вещества, равно произведению удельной теплоты плавления на массу данного вещества.

 Q = λ*m,

Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при отвердевании данного тела.

Q = λ*m

Когда тело кри­стал­ли­зу­ет­ся, Q  пи­шет­ся со зна­ком «-», так как тепло вы­де­ля­ет­ся.

Вязкость воды

Еще одна физическая величина, связанная со структурой воды, имеет особенную зависимость от температуры — это вязкость.

Вязкость воды уменьшается при изменении температуры от 0°С до 100°С в семь раз, тогда как вязкости большинства жидкостей с неполярными молекулами, не имеющими, соответственно, водородных связей, уменьшаются при таком же изменении температур всего в два раза! Спирты, молекулы которых являются полярными, как и молекула воды, тоже изменяют вязкость в 5-10 раз при таком изменении температуры.

Исходя из нашей оценки количества разорванных связей при нагревании воды от 0°С до 100°С (порядка 4%), следует признать, что подвижность воды и ее малая вязкость обеспечиваются весьма малой долей всех молекул.

Упражнения

Упражнение №1

У вас есть вода массой $2 \space кг$  с температурой $20 \degree C$. Рассчитайте, какое количество энергии потребуется для ее превращения в пар.

Дано:$m = 2 \space кг$$t_1 = 20 \degree C$$t_2 = 100 \degree C$$c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

Сначала нам потребуется нагреть воду до температуры кипения, затратив на это количество энергии $Q_1$:$Q_1 = cm (t_2 — t_1)$.

$Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C — 20 \degree C) = 8400 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 80 \degree C = 672 \space 000 \space Дж \approx 0.7 \cdot 10^6 \space Дж$.

 Теперь рассчитаем количество энергии $Q_2$, затраченное для превращения воды в пар:$Q_2 = Lm$.

$Q_2 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

Рассчитаем общее количество энергии, которое нам потребуется:$Q = Q_1 + Q_2 = 0.7 \cdot 10^6 \space Дж + 4.6 \cdot 10^6 \space Дж = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 5.3 \cdot 10^6 \space Дж$.

Упражнение №2

Вычислите, какое количество энергии выделится при охлаждении водяного пара массой $2 \space кг$ от $100 \degree C$ до $0 \degree C$.

Дано:$m = 2 \space кг$$t_1 = 100 \degree C$$t_2 = 0 \degree C$$c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$

$Q — ?$

Показать решение

Скрыть

Решение:

Температура $100 \degree C$ — это температура парообразования воды и конденсации водяного пара. При понижении температуры пар сначала сконденсируется в жидкость, а жидкость продолжит охлаждаться.Количество теплоты, выделенное при этом будет равно:$Q = Q_1 + Q_2$, где$Q_1$ — количество выделенной теплоты при конденсации пара,$Q_2$ — количество теплоты, выделенное при охлаждении жидкости до $0 \degree C$.

$Q_1 = Lm$.$Q_1 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 2 \space кг = 4.6 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q_2 = cm (t_1 — t_2)$.$Q_2 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 2 \space кг \cdot (100 \degree C — 0 \degree C) = 8400 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 100 \degree C = 840 \space 000 \space Дж \approx 0.8 \cdot 10^6 \space Дж$.

$Q =  4.6 \cdot 10^6 \space Дж + 0.8 \cdot 10^6 \space Дж= 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 5.4 \cdot 10^6 \space Дж$.

Упражнение №3

Из чайника выкипела вода объемом $0.5 \space л$. Начальная температуры этой воды составляла $10 \degree C$. Какое количество энергии оказалось излишне затраченным? Плотность воды — $1000 \frac{кг}{м^3}$.

Дано:$V = 0.5 \space л$$\rho = 1000 \frac{кг}{м^3}$$L = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг}$

СИ:$0.5 \cdot 10^{-3} \space м^3$

$Q — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Решение:

После закипания воды в чайнике огонь выключают. Если его не выключить, то процесс кипения продолжится, и вода из чайника будет испаряться. Так как превращение воды в пар не является целью кипячения воды, энергию, которая ушла на парообразование можно считать излишне затраченной. Рассчитаем ее по формуле: $Q = Lm$.

Массу мы можем выразить через плотность и объем: $m = \rho V$.

Тогда наша формула примет вид:$Q = L\rho V$.

$Q = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 1000\frac{кг}{м^3} \cdot 0.5 \cdot 10^{-3} \space м^3 = 2.3 \cdot 10^6 \frac{Дж}{кг} \cdot 0.5 \space кг =  1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

Ответ: $Q = 1.15 \cdot 10^6 \space Дж$.

Таблица удельной теплоты плавления

Значение удельной теплоты для разных веществ: золота, серебра, цинка, олова и многих других металлов можно найти в специальных таблицах и справочниках. Обычно эти значения приводятся в виде таблицы.

Вашему вниманию таблица удельной теплоты плавления разных веществ

Вещество	10 5 * Дж/кг	ккал/кг	Вещество	10 5 * Дж/кг	ккал/кг
Алюминий	3,8	92	Ртуть	0,1	3,0
Железо	2,7	65	Свинец	0,3	6,0
Лед	3,3	80	Серебро	0,87	21
Медь	1,8	42	Сталь	0,8	20
Нафталин	1,5	36	Цинк	1,2	28
Олово	0,58	14	Платина	1,01	24,1
Парафин	1,5	35	Золото	0,66	15,8

Интересный факт: самым тугоплавким металлом на сегодняшний день является карбид тантала – ТаС. Для его плавления необходима температура 3990 С. Покрытия из ТаС применяют для защиты металлических форм, в которых отливают детали из алюминия

Определение

Удельной теплотой плавления называют физическую величину равную количеству тепла (в джоулях), которое необходимо передать твердому телу массой 1 кг, чтобы полностью перевести его в жидкое состояние. Удельную теплоту плавления обозначают греческой буквой «лямбда» – λ.

Формула удельной теплоты плавление выглядит так:

λ = Q/m

Где m – масса плавящегося вещества, а Q – количество тепла, переданное веществу при плавлении.

Зная значение удельной теплоты плавления, мы можем определить, какое количество тепла необходимо передать для тела с той или иной массой, для его полного расплавления:

Q = λ * m

Для разных веществ удельная теплота плавления была определена экспериментально.

Лямбда воды чему равна — БэбиБлог

Зачатие-физиология и магия

Известно, что так называемое биологическое зачатие, являющееся следствием оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, вовсе не является исходной и отправной точкой начала новой жизни. Первичная животворная неделимая жизненная частица, искра Божья — жива, или монада, появляется внутри энергетических оболочек женщины приблизительно за три месяца до клеточного оплодотворения. Зачатие — физиология и магия Следует признать, что биология не в состоянии объяснить многих поистине удивительных вещей, сопровождающих зачатие, таких, например, как эффект телегонии. В этой статье описан несколько иной взгляд на вопрос зачатия, который, полагаем… Читать далее →

Зачатие-физиология и магия

Известно, что так называемое биологическое зачатие, являющееся следствием оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, вовсе не является исходной и отправной точкой начала новой жизни. Первичная животворная неделимая жизненная частица, искра Божья — жива, или монада, появляется внутри энергетических оболочек женщины приблизительно за три месяца до клеточного оплодотворения… Читать далее →

Зачатие — физиология и магия

Очень интересная статья. В ней объяснены многие аспекты. Я не пожалела, что прочитала ее, хоть и не люблю длинные научные статьи.Известно,
что так называемое биологическое зачатие, являющееся следствием
оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, вовсе не является исходной и
отправной точкой начала новой жизни. Первичная животворная неделимая
жизненная частица, искра Божья – жива, или монада, появляется внутри
энергетических оболочек женщины приблизительно за три месяца до
клеточного оплодотворения. Читать далее →

Применение коэффициента теплопроводности в строительстве

В строительстве действует одно простое правило — коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов должны быть как можно ниже. Все потому, что чем меньше значение λ (лямбда), тем меньше можно сделать толщину изоляционного слоя, чтобы обеспечить конкретное значение коэффициента теплопередачи через стены или перегородки.

В настоящее время производители теплоизоляционных материалов (пенополистирол, графитовые плиты или минеральная вата) стремятся минимизировать толщину изделия за счет уменьшения коэффициента λ (лямбда), например, для полистирола он составляет 0,032-0,045 по сравнению с 0,15-1,31 у кирпича.

Что касается строительных материалов, то при их производстве коэффициент теплопроводности не имеет столь большого значения, однако в последние годы наблюдается тенденция к производству строительных материалов с низким показателем λ (например, керамических блоков, структурных изоляционных панелей, блоков из ячеистого бетона). Такие материалы позволяют построить однослойную стену (без утеплителя) или с минимально возможной толщиной утеплительного слоя.

Какой же строительный материал самый теплый?

В настоящее время это пенополиуретан (ППУ) и его производные, а также минеральная (базальтовая, каменная) вата. Они уже зарекомендовали себя как эффективные теплоизоляторы и сегодня широко применяются в утеплении домов.

Для наглядности о том, насколько эффективны эти материалы, покажем вам следующую иллюстрацию. На ней отображено какой толщины материала достаточно, чтобы удерживать тепло в стене дома:

А как же воздух и газообразные вещества? — спросите вы. Ведь у них коэффициент Лямбда еще меньше? Это верно, Но если мы имеем дело с газами и жидкостями, помимо теплопроводности, здесь надо также учитывать и перемещение тепла внутри них — то есть конвекции (непрерывного движения воздуха, когда более теплый воздух поднимается вверх, а более холодный — опускается).

Подобное явление имеет место в пористых материалах, поэтому они имеют более высокие значения теплопроводности, чем сплошные материалы. Все дело в том, что небольшие частички газа (воздух, углекислый газ) скрываются в пустотах таких материалов. Хотя такое может случится и с другими материалами — в случае если воздушные поры в них будут слишком большими, в них может также начать происходить конвекция.

Лямбда воды равна — БэбиБлог

Зачатие-физиология и магия

Известно, что так называемое биологическое зачатие, являющееся следствием оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, вовсе не является исходной и отправной точкой начала новой жизни. Первичная животворная неделимая жизненная частица, искра Божья — жива, или монада, появляется внутри энергетических оболочек женщины приблизительно за три месяца до клеточного оплодотворения. Зачатие — физиология и магия Следует признать, что биология не в состоянии объяснить многих поистине удивительных вещей, сопровождающих зачатие, таких, например, как эффект телегонии. В этой статье описан несколько иной взгляд на вопрос зачатия, который, полагаем… Читать далее →

Зачатие-физиология и магия

Известно, что так называемое биологическое зачатие, являющееся следствием оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, вовсе не является исходной и отправной точкой начала новой жизни. Первичная животворная неделимая жизненная частица, искра Божья — жива, или монада, появляется внутри энергетических оболочек женщины приблизительно за три месяца до клеточного оплодотворения… Читать далее →

Зачатие — физиология и магия

Очень интересная статья. В ней объяснены многие аспекты. Я не пожалела, что прочитала ее, хоть и не люблю длинные научные статьи.Известно,
что так называемое биологическое зачатие, являющееся следствием
оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, вовсе не является исходной и
отправной точкой начала новой жизни. Первичная животворная неделимая
жизненная частица, искра Божья – жива, или монада, появляется внутри
энергетических оболочек женщины приблизительно за три месяца до
клеточного оплодотворения. Читать далее →

Литература[]

Лосев К. С. Вода. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989. — 272 с. (см. ISBN )

• Гидробионты в самоочищении вод и биогенной миграции элементов. — М.: МАКС-Пресс. 2008. 200 с. Предисловие члена-корр. РАН В. В. Малахова. (Серия: Наука. Образование. Инновации. Выпуск 9). ISBN 978-5-317-02625-7.
• О некоторых вопросах поддержания качества воды и её самоочищения // Водные ресурсы. 2005. т. 32. № 3. С. 337—347.
• Андреев В. Г. Влияние протонного обменного взаимодействия на строение молекулы воды и прочность водородной связи. Материалы V Международной конференции «Актуальные проблемы науки в России». — Кузнецк 2008, т.3 С. 58-62.

Строение молекулы воды

Вода представляет собой сложное вещество, основной структурной единицей которого является молекула H₂O, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Схем возможного взаимного расположения атомов H и O в молекуле H₂O за весь период ее изучения было предложено несколько десятков; общепризнанная в настоящее время схема приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема строения молекулы воды: геометрия молекулы и электронные орбиты

Полную кинетическую энергию трехатомной молекулы типа H₂O можно описать следующим выражением:

где         и      —  скорости соответственно поступательного и вращательного движения молекулы; I_x, I_y, I_z — моменты инерции молекулы относительно соответствующих осей вращения; m — масса молекулы.

Из этого уравнения видно, что полная энергия трехатомной молекулы типа H₂O состоит из шести частей, отвечающих шести степеням свободы: трем поступательным и трем вращательным.

Из курса физики известно, что на каждую из этих степеней свободы при тепловом равновесии приходится одинаковое количество энергии, равное 1/2 kT, где k=R_m/N_A= 1,3807·10-23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура; N_A = 6,0220·1023 моль-1 — число Авогадро; kN_A=R_m= 8,3144 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная. Тогда полная кинетическая энергия такой молекулы равна:

Полная кинетическая энергия молекул, содержащихся в грамм-молекуле любого газа (пара), составит:

Полная кинетическая энергия W связана с удельной теплоемкостью cv при постоянном объеме формулой:

Подсчет удельной теплоемкости воды по этой формуле для водяного пара дает значение 25 Дж/(моль·К). По опытным данным, для водяного пара cv = 27,8 Дж/(моль·К), т. е. близко к расчетному значению.

Изучение молекулы воды с помощью спектрографических исследований позволило установить, что она имеет структуру как бы равнобедренного треугольника: в вершине этого треугольника расположен атом кислорода, а в основании его — два атома водорода. Угол при вершине составляет 104°27, а длина стороны — 0,096 нм. Эти параметры относятся к гипотетическому равновесному состоянию молекулы без ее колебаний и вращений.

Относительная молекулярная масса H₂O зависит от относительной атомной массы ее составляющих и имеет различные значения, так как кислород и водород имеют изотопы.

Кислород имеет шесть изотопов: 14O, 15O, 16O, 17O, 18O, 19O, из которых стабильны только три, а водород три: 1H (протий), 2H (дейтерий), 3H (тритий). Некоторые из изотопов радиоактивны, имеют короткое время полураспада и присутствуют в воде в незначительных количествах, другие же получены только искусственным путем и в природе не встречаются.

Таким образом, принимая во внимание изотопы кислорода и водорода, можно составить из них несколько видов молекулы H2O с различными относительными молекулярными массами. Из них наиболее распространены молекулы 1H216O с относительными молекулярными массами 18 (обычная вода) и молекулы 2H216O с относительными молекулярными массами 20

Последние молекулы образуют так называемую тяжелую воду. Тяжелая вода по своим физическим свойствам значительно отличается от обыкновенной воды.

Почему твердое тело становится жидким?

Но давайте для начала разберем, как происходит сам процесс плавления на атомно-молекулярном уровне. Как мы знаем, в любом твердом теле все атомы и молекулы находятся четко и упорядочено в узлах кристаллической решетки, благодаря этому твердое тело и является твердым.

Но что происходит, если мы начинает это самое гипотетическое твердо тело сильно нагревать – под действием температуры атомы и молекулы резко увеличивают свою кинетическую энергию и по достижении определенных критических значений, они начинают покидать кристаллическую решетку, вырываться из нее. А само твердое тело начинает буквально распадаться, превращаясь в некое жидкое вещество – так происходит плавление.

При этом процесс плавления происходит не резким скачком, а постепенно. Также стоит заметить, что плавление относится к эндотермическим процессам, то есть процессам, при которых происходит поглощение теплоты.

Процесс обратный к плавлению называют кристаллизацией – это когда тело из жидкого состояния наоборот превращается в твердое. Если вы оставите воду в морозилке, она через какое-то время превратится в лед – это самый типичный пример кристаллизации из реальной жизни.

Физические свойства

Дрейфующий лед

Вода – уникальное вещество на планете, способное быть в трех физических состояниях:

• Газообразное
• Жидкое
• Твердое

Если спросить человека, что такое вода, то самый популярный ответ будет: «Это жидкость» . Жидкое самое распространённое в природе состояние воды.

Изменение состояния воды возможно благодаря тому, что под действием температур меняется расстояние между молекулами. В твердой форме – молекулы наиболее близко расположены друг к другу. В жидкой – подальше. В газообразной – совсем далеко, что позволяет им отрываться. При температуре от 100°С и выше это пар. От 0°С до 100°С – это вода. А ниже 0°С – это лед.

В атмосфере всегда есть мельчайшие капельки воды. Но присутствие влаги мы замечаем только тогда, когда её количество увеличивается, формируя облака и туман.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении (кристаллизации)

Данный урок посвящён основной характеристике плавления (кристаллизации) вещества – удельной теплоте плавления.

На прошлом уроке мы затрагивали вопрос: как изменяется внутренняя энергия тела при плавлении?

Мы выяснили, что при подведении теплоты внутренняя энергия тела возрастает. Вместе с тем, мы знаем, что внутренняя энергия тела может характеризоваться таким понятием, как температура. Как нам уже известно, при плавлении температура не меняется. Поэтому может возникнуть подозрение, что мы имеем дело с парадоксом: внутренняя энергия увеличивается, а температура не меняется.

Объяснение этого факта довольно простое: вся энергия тратится на разрушение кристаллической решётки. Аналогично и в обратном процессе: при кристаллизации молекулы вещества объединяются в единую систему, при этом избыток энергии отдаётся и поглощается внешней средой.

В результате различных экспериментов удалось установить, что для одного и того же вещества требуется различное количество теплоты, чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое.

Тогда было решено сравнить эти количества теплоты при одинаковой массе вещества. Это привело к появлению такой характеристики, как удельная теплота плавления.

Тематические задания

Изучение тепловых явлений и их особенностей, к числу которых относится и удельная теплота, входит в школьную программу по физике для старших классов. Для проверки усвоения пройденного материала используются тематические задачи.

Задания на нахождение удельной теплоты парообразования помимо обычных текстовых условий в большинстве случаев сопровождаются графиками, отображающими температурные изменения, которые происходили с веществом по мере поглощения им теплоты.

Но графические задачи — не самые интересные. В число наиболее занимательных заданий входят такие:

1. Кусок льда, размещавшийся в температуре -90 градусов Цельсия, начали нагревать посредством подведения к нему тепловой мощности постоянного типа. По прошествии 63 секунд от начала нагревания лед достиг температуры, необходимой для плавления. Требуется найти время в секундах, которое займет процесс плавления льда от момента его достижения нужного нагрева при условии, что потери теплоты нет. Ответ: 110 секунд.
2. Кусок свинца, пребывавший в температуре +27,5 градуса Цельсия, путем подведения к нему постоянной тепловой мощности начали нагревать. Спустя 39 секунд после начала нагревания температура свинца достигла уровня плавления (+327,5 градуса Цельсия). Нужно определить продолжительность процесса плавления свинца в секундах от этого момента, с учетом отсутствия тепловых потерь. Ответ: 25 секунд.

Сравнение ответов этих задач позволяет оценить разницу между удельными величинами плавления льда и свинца. У первого она очень большая, а у второго, наоборот, маленькая. Это неудивительно — количество теплоты, нужное для плавления, напрямую зависит от свойств и характеристик вещества, в частности — от энергии связей, соединяющих частицы этого вещества между собой.

Роль большой удельной величины, которой обладает лед, неоценима как для природы, так и для человечества. Если бы этот показатель был меньше, то по весне все льды и снега растаяли, что обернулось бы ужасными последствиями. Потоки воды, образовавшиеся в результате такого таяния, смыли бы все на своем пути.

К счастью, ледяные и снежные массы не способны растаять за несколько мгновений. Физические свойства этих веществ лишний раз доказывают, что природа — гениальный и неподражаемый творец.

Источник