Снег, лед, град, роса, иней туман … все это, хорошо известные нам с раннего детства, разные агрегатные состояния воды .
С разными агрегатными состояниями воды мы ежедневно встречаемся в нашей жизни, они являются важным фактором, влияющим на всю жизнедеятельность человека.
Состояния воды
В природе в естественных условиях вода может существовать в трех основных агрегатных состояниях :
- Твердое состояние – лед, снег, град, иней … ;
- Жидкое – вода, дождь, туман, роса, радуга, облака …;
- Газообразное – пар …
Уникальное свойство воды — возможность быть в природных условиях в трех разных базовых агрегатных состояниях , обеспечивает нашей планете жизненно важный процесс – гидрологический цикл или круговорот воды в природе, который состоит, если кратко, из осадков, испарения и конденсации. Круговорот воды в природе обеспечивает ее присутствие практически во всех уголках нашей планеты, а вода, как известно, источник жизни.
Изменение агрегатных состояний воды
Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое определяются следующим образом:
- Кипение и парообразование - переход воды из жидкого состояния в пар;
- Конденсация - процесс перехода пара в жидкое состояние воды ;
- Кристаллизация - переход жидкости в лед;
- Плавление – переход льда в жидкость;
- Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;
- Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.
Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па. Всем с детства хорошо известна простая примета, температура за окном опустилась ниже нуля, ждите снега :)
Важно знать
Необходимо отметить такой, важный для человека факт – при понижении атмосферного давления температура кипения падает. Это необходимо учитывать, например, в условиях высокогорья. Отметим также еще одно явление, которое полезно знать человеку в повседневной жизни — объем воды в твердом состоянии больше чем в жидком. Этот факт иллюстрирует общеизвестный пример – бутылка с водой оставленная на морозе будет разорвана, образовавшимся в ней льдом.
Очевидно, что в разных своих агрегатных состояниях Вода обладает разными базовыми физическими свойствами такими как – текучесть, твердость, летучесть.
Необходимо отметить, что пар определяет такой важный для человека и других живых организмов параметр как «влажность воздуха». Влажность воздуха напрямую зависит от количества водяного пара в атмосфере, больше пара выше влажность. На земле существуют места как с очень высокой, так и с низкой влажностью атмосферы. Одним из самых влажных мест планеты считается индийский город Черрапунджи (Cherrapunji), а одним из самых сухих Сухие долины в Антарктике.
Опыт показывает, что при нагревании некоторых твёрдых тел они способны расплавляться, то есть превращаться в жидкость, а затем испаряться. Уменьшение температуры вещества ведет к обратному процессу. Возможно превращение кристаллического вещества в газ, минуя жидкую фазу (процесс сублимации).
Агрегатные состояния
Агрегатное состояние зависит от температуры и давления над поверхностью вещества. Переходы из одного агрегатного состояния в другое, которые сопровождаются изменением характера упаковки частиц (ближний, дальний порядок, неупорядоченность), называют фазовыми переходами первого рода.
В природе вода (единственное вещество на Земле) может иметь три агрегатных состояния: твердое (это дел или снег); жидкость и газообразное (пар).
Лед имеет кристаллическую решетку, то есть его атомы четко расположены. Он сохраняет форму, обладает объемом и сохраняет его, атомы плотно упакованы.
Вода текучая субстанция. Она сохраняет объем, но не сохраняет форму, принимая форму сосуда в котором находится. Имеет нечеткое расположение частиц и большую их подвижность в сравнении со льдом.
Пары воды заполняют все предоставленное им пространство, обладают рыхлой упаковкой частиц, их можно легко сжать.
В жидком состоянии вода может находиться при нормальном атмосферном давлении при температуре от 0 o C до 100 o C. Вода - это растворитель, который необходим для течения биохимических реакций. Свойствами растворителя, она обладает благодаря полярности своих молекул. В массовом составе воды содержится 88,81% кислорода и 11,19% водорода. Если вода переходит изо льда в жидкость, то ее плотность растет. При увеличении температуры воды в диапазоне от 0 o C до +4 o C ее плотность увеличивается. С дальнейшим ростом температуры плотность воды уменьшается. При +4 o C плотность воды выше, чем плотность льда. Вода имеет высокую теплоемкость (c-удельная теплоемкость): , поэтому является хорошим переносчиком тепла. Вода — тепловой регулятор на Земле. Кроме этого вода обладает высоким поверхностным натяжением (больше только у ртути).
При давлении в одну атмосферу и температуре 0 o C и ниже вода переходит в лед. Тогда как при уменьшении температуры все тела уменьшают свой объем, вода при замерзании расширяется примерно на 9%. Аномальные свойства воды объясняют особенностью молекулярного строения. Обладая одной кристаллической структурой, лед имеет много разных форм. Это снежинки, сосульки, льдины и т.д. Лед имеет высокую удельную теплоту плавления ( (при нормальном атмосферном давлении). Лед в природе может иметь механические примеси такие как твердые частицы, капли растворов или пузырьки газов.
Переход воды в газообразное состояние можно наблюдать, нагревая при нормальном атмосферном давлении до температуры 100 o C. Газообразная вода может встречаться, например, в виде тумана, облаков.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Охарактеризуйте особенности фазовых переходов воды. |
| Решение | В природе существуют следующие тепловые процессы, происходящие (в том числе) с водой: нагревание (охлаждение); испарение (конденсация); плавление (отвердевание).
Будем считать, что все фазовые переходы происходят при нормальном атмосферном давлении. Тогда при вода кристаллизуется и становится льдом. При вода кипит и переходит в пар. Если давление уменьшать, то температура плавления воды будет медленно увеличиваться, а температура кипения уменьшаться. С ростом давления температура кипения воды увеличивается, плотность пара при кипении увеличивается, плотность жидкости уменьшается. При давлении около При дальнейшем уменьшении давления вода не может существовать как жидкость, и лед превращается непосредственно в пар. Температура перехода льда в пар уменьшается при снижении давления. Если давление высокое, то отсутствует разница между паром и водой, при этом кипение и испарение отсутствуют. Возможно существование метастабильных состояний (перенасыщенного пара или перегретой жидкости). Эти состояния могут наблюдаться длительное время, однако они не являются устойчивыми. Диаграмма состояния приведена на рис.1. Она состоит из трех областей, которые соответствуют кристаллическому (твердому) состоянию вещества, жидкости и газообразному состоянию. Данные области разделяются кривыми, которые обозначают границы взаимно обратных процессов: |
атм. температуры кипения и плавления практически становятся равными . Данные давление и температура называются тройной точкой воды. Если давление становится равным атм., а температура , то плотность и прочие свойства воды и ее пара становятся одинаковыми. Такая точка называется критической. В критическом состоянии жидкость имеет максимальный объем, а насыщенный пар обладает максимальным давлением.Реки, болота, озера, ледники, моря, океаны – все это вода (рис. 50). Все живое и неживое: любые почвы и горные породы на нашей планете, все предметы, тела, организмы – содержат ее. Например, в человеческом теле на долю воды приходится 60–80 % массы. Для многих живых организмов вода служит средой обитания. Жизнь на Земле зародилась в воде и без воды невозможна. Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию солнечного света.
Рис. 50. Вода – самое необыкновенное вещество на Земле
С некоторыми свойствами воды вы уже знакомы: она прозрачна, бесцветна, без запаха и вкуса, обладает текучестью, встречается в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном.
Жидкая вода
Летом вы неоднократно отмечали, что земля уже нагрелась, а вода еще долго остается холодной. Входя в воду, вы ощущаете, что ее температура неодинаковая: верхние слои значительно теплее, чем нижние. Перемешивание верхних и нижних слоев производит ветер, вызывающий волнение на поверхности, – чем глубже, тем вода холоднее. Почему вода в рядом расположенных слоях имеет различную температуру?
Чтобы ответить на этот вопрос, поставим следующий опыт.
Возьмем пробирку, положим в нее кусочек льда. Чтобы он не всплывал, можно придавить его сверху маленьким кусочком металла. Затем нальем в пробирку воды. Держа пробирку прищепкой для белья и немного наклонив, нагреваем ту ее часть, где нет льда. Одновременно наблюдаем, что происходит со льдом. Он долго сохраняет твердое состояние. Почему же лед не тает? Вода вокруг кипит, а лед не тает.
Поставленный опыт позволяет сделать вывод: вода не очень быстро передает тепло.
Передача тепла от более нагретой части тела к другой, менее нагретой, называется теплопроводностью. Так как теплопроводность воды не очень большая, то лед в нашем опыте долгое время находится в твердом состоянии.
У воды есть и другое замечательное свойство: нагретая солнечными лучами, она способна долгое время сохранять полученное тепло. Вода как бы накапливает его в себе и удерживает. Она медленно нагревается и медленно остывает. Летом вода в приморских районах, нагреваясь медленнее, чем суша, охлаждает окружающий воздух, а зимой теплое море постепенно остывает, отдавая тепло воздуху и смягчая мороз.
Твердая вода
Когда температура опускается ниже 0 °С, вода замерзает и переходит в твердое состояние – лед (рис. 51).
Рис. 51. Лед – твердая вода в природе
Мы знаем, что вода обладает текучестью. Оказывается, и лед при определенных условиях может «течь». На Земле существуют огромные «ледяные реки», медленно стекающие с высоких гор. Их называют ледниками.
Почему же ледники движутся? Оказывается, под огромной тяжестью (толщина некоторых ледников достигает 3–4 км) лед у поверхности Земли начинает подтаивать и превращается в жидкость. Образовавшаяся вода облегчает скольжение, она выступает в роли смазки.
Газообразная вода
Мы уже говорили, что вода может находиться в газообразном состоянии, т. е. в состоянии водяного пара. Можно ли увидеть водяной пар?
Белое облако, которое образуется по ночам и рано утром в низинах и над водоемами; белый дымок, который вырывается из носика чайника, или белые видимые клубы над сосудом, где закипает вода, – все это не водяной пар, а туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе (рис. 52).
Рис. 52. Туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе при конденсации водяного пара
Нет никакой разницы между туманом и облаком в небе. Туманы чаще бывают осенью, когда воздух охлаждается быстрее, чем земля или вода. При соприкосновении прохладного воздуха с теплым и образуется туман.
Чем отличается туман от водяного пара? Пар – это газ, прозрачный и невидимый. Видеть водяной пар (воду в газообразном состоянии) невозможно, как нельзя видеть воздух при конденсации водяного пара. Но можно доказать, что водяной пар содержится в воздухе. Например, в воздухе комнаты. Если подержать небольшое зеркало 10–20 мин на улице (при температуре -5 °C или ниже), а потом внести его в теплую комнату, то через несколько минут оно покроется капельками воды. Капельки воды – это бывший водяной пар, который сконденсировался из комнатного воздуха на холодном стекле зеркала. Вода из газообразного состояния – водяного пара, который содержится в комнатном воздухе, от охлаждения при соприкосновении с холодным стеклом зеркала перешла в жидкое состояние.
Количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара в нем.
Вода в жидком, твердом и газообразном состоянии образует на Земле оболочку – гидросферу.
1. Как вы думаете, что будет более эффективным в качестве грелки: 2 кг песка при температуре +60 °C или 2 л воды при той же температуре? Ответ объясните.
2. Почему туман образуется по ночам или рано утром?
| <<< Назад
|
Вперед >>>
|
Вода - это самое распространённое в мире вещество. Она входит в состав каждой живой клетки, поэтому имеет большое значение для поддержания жизни на Земле. Мы многое знаем о воде, но до сих пор не раскрыли всех её загадок.
Вода всегда вокруг нас
Водный баланс - это основа жизни на нашей планете. Большая её часть на Земле - это океаны и моря. В них сосредоточено 97% данного вещества. Остальные 3 % - это реки, озёра, пруды, и парообразная вода в атмосфере. Растения и животные для обеспечения своей жизнедеятельности ежедневно потребляют живительную влагу.
Вода - это составляющая часть организма человека. Каждая наша клетка больше чем наполовину состоит из этой жидкости. Кровь, текущая в наших венах, - это на 82% вода. Мышцы и кожа содержат её 76%. Удивительно, но даже кости в своём составе имеют до 30% воды. Её наименьшее содержание в зубной эмали - всего 0,3%.
Общая масса воды на планете Земля - более 2 000 000 000 миллионов тонн.
Какие существуют 3 состояния воды в природе?
На вопрос почти все без раздумий отвечают: "Это жидкость!". Ведь чаще всего мы привыкли видеть жидкое состояние воды в природе. Но на самом деле она может иметь разные формы, кардинально отличающиеся одна от другой.
Вода бывает в трёх состояниях:
- жидкая форма;
- парообразное состояние;
- твёрдая агрегатная форма — лёд.
Вода - жидкость
Жидкое состояние воды в природе встречается нам чаще всего. В этой форме Н 2 О может находиться в диапазоне температур от 0 до 100 градусов по Цельсию. Именно это агрегатное состояние имеет вода в реках, морях, океанах и во время дождя.
Эта прозрачная субстанция не имеет ни вкуса, ни запаха, ни собственной формы. Жидкость кажется самой податливой, но в то же время она имеет колоссальную силу. Жидкое состояние воды в природе даёт ей возможность растворять многие вещества. Потоки воды могут разрушить горные породы, создать пещеры, и таким образом поменять рельеф планеты.
Жидкая форма Н 2 О используется повсюду в быту. Во-первых, каждому живому существу, в том числе и человеку, необходимо ежедневно потреблять определённое количество воды. Во-вторых, она нужна нам для поддержания гигиены. Мы ежедневно принимаем ванну или душ, несколько раз в день моем руки, выращиваем овощи и фрукты на своих огородах, обеспечивая им полив, стираем свою одежду. Даже не задумываясь, для всех этих процедур мы используем жидкую воду.
Лёд - вода в твёрдом виде
Н 2 О из жидкого переходит в твёрдое агрегатное состояние при снижении температуры ниже 0 градусов по Цельсию. Интересно то, что почти все предметы при охлаждении уменьшаются в объёмах, а вода, наоборот, замерзая, расширяется. Если так она прозрачная и бесцветная, то при замерзании может приобретать белый цвет из-за попадания частичек воздуха внутрь льда.
Необычно, что при одной и той же кристаллической структуре лёд может иметь множество разнообразных форм. Твёрдое состояние воды в природе - это гигантские айсберги, блестящая корка льда на реке, белые хлопья снега, сосульки, висящие на крышах.
Лёд имеет огромное значение для хозяйственной деятельности человека и оказывает большое влияние на поддержание жизнедеятельности многих организмов. Например, при замерзании реки он выполняет защитную функцию, сохраняя водоём от дальнейшего промерзания, этим самым оберегая подводный мир.
Но также лёд может стать причиной разрушительных стихийных бедствий. Например, град, обледенение зданий и промерзание почвы, ледяные обвалы.
В быту мы используем замёрзшую воду как хладагент, бросая небольшие кубики льда в напитки для их охлаждения. Подобным образом могут охлаждаться пищевые продукты и медицинские препараты.
Водяной пар
Нагревая жидкость до 100˚С, мы можем увидеть переход в газообразное состояние воды. В природе нам может встречаться такая вода в виде облаков, тумана, испарений над реками, озерами и морями при смене погоды или просто повышенной влажности.
В атмосфере всегда находятся капельки воды, крохотный размер которых позволяет им удерживаться на весу. Мы можем заметить присутствие влаги в воздухе только тогда, когда её количество увеличивается, и появляются облака или туман.
Часто может быть полезно в быту. Человек использует пар для облегчения глажки белья после стирки. В последнее время появились специальные приспособления, в основу работы которых положено образование водяного пара. Это парогенераторы. Они имеют множество функций, основные из которых - борьба с загрязнениями и микробами. Также процесс парообразования можно проследить на примере работы бытового увлажнителя воздуха.
Переход воды из одного состояния в другое играет роль масштабного очистительного процесса. Только во время испарения, большие массы воды способны самоочиститься.
Вода в любом агрегатном состоянии - это наивысшая ценность. Бедуины, которые ведут кочевую жизнь в пустынях, говорят, что она дороже золота. Но даже тем, кто не испытывает трудностей с недостатком воды, понятна величайшая связь между ею и жизнью.
Вода — основа жизни и в природе она может находиться в трех основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Однако, искусственно можно создать условия, при которых вода переходит в состояние плазмы.
В этой статье мы разберем, почему вода может быть в жидком, твердом и газообразном состояниях, и при каких условиях меняются ее агрегатные состояния.
Жидкое состояние воды в природных условиях планеты Земля преобладает.
Твердое состояние воды
Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.
Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.
Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.
Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде солей снижает температуру замерзания.
На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос: какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ – ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия. Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду, отбирая у нее тепло.
Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете — жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов) находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.
Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0 градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8 градусах Цельсия.
Жидкое состояние воды
Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.
Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса питьевой воды.
Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко делает влажными большинство твердых материалов.
Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и давление.
Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.
Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее микроскопических капелек.
Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется, когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар» часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных капель, образующихся при конденсации водяного пара.
И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности, ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на жидкое.
Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия) или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления. Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.
Состояние газа
Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение, что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не верно.
Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же, как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е. в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.
Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии образует облака и тучи
Четвертое агрегатное состояние: плазма
Все знают, в каких трех состояниях вода находится в окружающей природе. Однако, ученые знают и четвертое состояние воды – плазму, которую называют гидроплазмой.
Водяной пар можно нагреть до такой температуры (2 200 -13 900°С, или 4 000- 25 000 ° F), что молекулы воды распадаются и получается просто смесь атомов водорода и кислорода в виде плазмы. Там динамически может присутствовать некоторое количество молекул воды, но всё равно эта смесь ионов и молекул будет водородно-кислородной плазмой.
Вообще плазма – это такое состояние вещества, которое настолько насыщено энергией, что от атомов отлетают электроны. Не говоря уже о разрушении молекулярных структур и кристаллических решеток.
Плазменное состояние воды в природе не встречается, однако оно всё больше интересует ученых в плане возобновляемых источников энергии. Очень заманчивая идея – получение из воды топлива в виде горючего водорода, который реагирует с кислородом и опять образует воду…
Как меняются агрегатные состояния
В принципе, агрегатное (физическое) состояние воды, как и любого другого вещества, зависит от температуры и давления. В природных условиях Земли возможны только три состояния веществ: твёрдое, жидкое и газообразное. Это и есть ответ на вопрос «в каких трех состояниях вода находится в природе».
Также теперь Вы знаете ответы на многие другие интересные вопросы типа «какой металл, находясь в расплавленном, т.е. жидком, состоянии, может заморозить воду, т.е. превратить ее в лёд» и т.п.
И Вы имеете понятие, в каком агрегатном состоянии может находиться вода в природе и в искусственных условиях.