Теплоемкость. Расслоение по плотности

Теплоемкость. Полярность молекулы обуславливает важные свойства воды, связанные с теплом. Основным из этих свойств является то, что вода обладает практически самой высокой теплоемкостью среди всех веществ, встречающихся в природе (аммиак - одно из немногих исключений). Теплоемкость — это показатель количества тепла, которое должно быть передано веществу или забрано у него, чтобы оно изменило свою температуру на заданное количество градусов. По сравнению с водой, например, воздух обладает очень низкой теплоемкостью. Поэтому на воздухе при температуре в 24°С нам тепло и комфортно, тогда как в воде при такой температуре мы быстро замерзаем. Воздух не может забирать тепло у вашего тела так же быстро, как это делает вода.

Высокая теплоемкость обеспечивается полярными связями воды. При нагревании большое количество энергии уходит на то, чтобы сначала разорвать полярные связи, прежде чем тепло пойдет на увеличение кинетической энергии (температуры) молекул воды. Из-за полярных связей вода испаряется медленнее, чем любая другая простая жидкость. Этот феномен получил название большой теплоты парообразования. Теплота парообразования воды велика, так как значительное количество энергии идет на то, чтобы разорвать полярные связи между молекулами. Также вода обладает высокой скрытой теплотой плавления. Это означает, что при замерзании воды высвобождается большое количество тепла, а когда лед тает, вода поглощает большое количество тепла. Повторимся, что все эти качества воды связаны с полярностью молекул.

Из-за высокой теплоемкости вода играет важнейшую роль в регулировании климата нашей планеты. Основные океанские течения переносят тепло из более теплых экваториальных широт к более прохладным регионам, расположенным ближе к полюсам. Климат тропиков становится мягче, а северных широт — теплее. Отличным примером служат Бермудские острова, которые благодаря течению Гольфстрим обладают умеренным тропическим климатом, хотя они расположены на той же широте, что и штат Северная Каролина в США, где климат субтропический, более холодный. Другим примером являются Галапагосские острова в Тихом океане, недалеко от южноамериканского государства Эквадор. Холодные глубоководные течения выходят на поверхность в районе островов и поглощают тепло из атмосферы. Из-за этого климат на островах относительно прохладный, несмотря на то, что они расположены близко к экватору.

Высокой теплоемкостью воды объясняется и тот факт, что температурные изменения в резервуаре воды определенного объема всегда меньше, чем в таком же объеме воздуха, и что воде требуется больше времени для изменения температуры. Вы можете в этом убедиться сами, когда совершаете погружения в течение приблизительно недели - температура воздуха может несколько раз поменяться, тогда как температура воды изменяется очень незначительно.

Вода и лед. Между водой и теплом существует еще одна взаимосвязь, нехарактерная для «обычных» веществ. При охлаждении большинство других жидкостей становятся плотнее и превращаются в твердые тела. Жидкость переходит в твердое состояние по мере того, как молекулы замедляются и располагаются ближе друг к другу. С понижением температуры плотность жидкости повышается. По мере превращения в твердое тело, вещество становится еще плотнее, твердые частицы тонут и оседают на дне жидкости. Жидкость начинает отвердевать снизу вверх.

С водой этого, к счастью для всех нас, не происходит. По мере охлаждения вода, как и другие жидкости, становится плотнее, пока не достигнет температуры 4°С. При этой температуре вода начинает затвердевать и превращаться в лед. Но из-за полярности молекулы формируют такую структуру твердого вещества, которая занимает больше места, чем когда эти молекулы образуют жидкость. В отличие от большинства веществ, которые в твердом состоянии плотнее, чем в жидком, вода в твердом состоянии (лед) имеет меньшую плотность, чем в жидком. Поэтому лед плавает на поверхности воды.

Помимо того, что такое свойство воды делает возможными подледные погружения, оно также оказывает огромное влияние на климат Земли. Лед на поверхности изолирует и сохраняет тепло воды, находящейся под ним, замедляя процесс замерзания по сравнению с другими жидкостями. Если бы лед тонул, а не плавал по поверхности, то огромные пространства океана полностью замерзали бы. Фактически, большая часть воды на Земле могла бы превратиться в лед.

Расслоение по плотности. До тех пор, пока вода не приблизится к точке замерзания, она ведет себя как обычная жидкость, то есть по мере остывания ее плотность возрастает. Вода образует слои разной плотности, причем более плотная вода располагается под менее плотными слоями. Поэтому вода, расположенная глубже, обычно холоднее, чем вода, расположенная ближе к поверхности. Образование водных слоев в зависимости от плотности называется расслоением по плотности. Когда вы переходите из одного слоя в другой, вы зачастую ощущаете резкий перепад температуры. Как вы, может быть, знаете, граница между слоями воды с разной температурой называется термоклином. В озерах и водоемах со спокойной водой можно пересечь два или три ярко выраженных слоя с разной температурой и плотностью до глубины всего лишь 18 метров.

Растворенные вещества (такие, как различные соли в морской воде) также увеличивают плотность воды и ведут к расслоению по плотности. Если растворенных веществ достаточно много, то более теплый водный слой может быть плотнее, чем холодный слой, и потому лежать глубже. Хорошим примером тому являются затопленные пещеры на полуострове Юкатан в Мексике. Когда вы погружаетесь в эти пещеры, то зачастую пересекаете резкую границу между холодной пресной водой и теплой соленой. Граница между слоем пресной и соленой воды называется галоклином.

Теплопроводность.Чтобы понять взаимосвязь между теплом и водой, необходимо разобраться в разнице между теплом и температурой. Это разные понятия, хотя зачастую мы используем их как синонимы.

Тепло — это суммарная кинетическая энергия всех молекул, находящихся в определенной массе вещества. Температура - это показатель среднего движения молекул в определенной массе вещества. Предположим, что у нас есть большой и малый резервуары с водой, имеющей одинаковую температуру. Хотя температура равна и вещество одно и то же, большой резервуар содержит гораздо больше тепла, потому что в нем находится во много раз больше молекул в движении, чем в малом.

Точно так же два разных вещества могут обладать различным количеством тепла при одинаковой температуре. Сравним воздух и воду и предположим, что мы поместили чайник с воздухом на плиту, разогретую до Воздух в чайнике разогреется до температуры 95°С очень быстро. Если то же самое проделать с чайником, который заполнен водой, то потребуется значительно больше времени, чтобы вода достигла температуры 95°С. Для нагревания воды до такой же температуры потребуется гораздо больше тепла. На самом деле, чтобы нагреть одинаковые массы воды и воздуха на одинаковое количество градусов, для воды необходимо в четыре раза больше тепла, чем для воздуха. Чтобы то же самое проделать с одинаковыми объемами воды и воздуха, для воды вам потребуется уже в 3200 раз больше тепла, чем для воздуха.

Поэтому температура и тепло измеряются в разных величинах. Температура измеряется в градусах Цельсия, Фаренгейта или Рэнкина. Также она измеряется в кельвинах. Тепло измеряется в калориях. Калория - это количество тепла, необходимое для нагревания одного грамма воды на один градус Цельсия. Большая масса вещества может содержать больше суммарного тепла (выраженного в калориях), чем меньшая масса, нагретая до более высокой температуры.

Вода поглощает больше тепла, чем воздух, не только благодаря полярности молекул, но также из-за большей плотности. Плотность — это показатель количества массы на единицу объема. Проще говоря, если вы взвесите два вещества одинакового объема, то из них, которое тяжелее, и будет более плотным. Например, один литр воды весит один килограмм, а литр воздуха весит 1,3 грамма. Поэтому, чтобы достичь плотности воды, воздух должен бы быть в 770 раз плотнее (0,0013 кг х 770 = 1,0 кг).

Тепло передается от одного вещества к другому тремя способами, два из которых оказывают на нас влияние под водой: 1) теплопроводность, 2) конвекция и 3) излучение.

Теплопроводность - это передача тепла посредством прямого контакта. Примером может служить ложка в чашке горячего кофе. Даже если ручка ложки холодная, когда вы кладете ее в чашку, она быстро нагревается так, что до нее становится невозможным дотронуться. Быстро перемещающиеся молекулы кофе передают часть своей энергии той части ложки, которая находится в кофе. В свою очередь нагретые - или возбужденные - молекулы в той части ложки, которая погружена в горячий кофе, начинают передавать часть своей энергии вверх по ложке, пока температура всей ложки не становится примерно одинаковой. Вещество, которое легко передаст тепло подобным образом, называется хорошим проводником.

Хотя воздух проводит тепло и иногда кажется нам очень холодным, по сравнению с большинством других веществ он является хорошим теплоизолятором - веществом, которое сопротивляется теплопроводности. Поэтому сухие костюмы сохраняют тепло лучше, чем мокрые — вас окружает теплоизолирующий слой воздуха, находящийся в поддевке сухого костюма.

Вода, наоборот, является отличным проводником (более чем в 20 раз лучше воздуха). Она нe только может содержать больше тепла, чем воздух, но также забирает тепло быстрее. Поэтому вам почти всегда требуется теплоизолирующий гидрокостюм, за исключением погружений в очень теплой воде.

Конвекция связана с передачей тепла через текучую среду. Текучая среда - это любое вещество, которое может течь, то есть жидкость или газ, но не твердое тело. Нагреваясь, текучее вещество становится менее плотным и перемещается наверх. Когда нагретое вещество поднимается, более холодное занимает его место. Запускается процесс постоянного перетекания, который забирает тепло у всего, что оказывается в текучей среде, поэтому тепло теряется быстрее, чем из-за теплопроводности.

Представьте, что вы погружаетесь с аквалангом в холодной воде без гидрокостюма. Ваша кожа нагревает воду, находящуюся в непосредственном контакте с ней, вода становится менее плотной и поднимается наверх. Это подводит к вашему телу больше холодной воды и цикл продолжается. Поэтому вы всегда окружены холодной водой, даже когда находитесь без движения при отсутствии течений.

Излучение- это передача тепла посредством электромагнитных волн. Это вид тепла, который мы ощущаем от солнца или от камина. Тепло в виде излучения под водой влияет па нас в наименьшей степени, но оно все же присутствует. Некоторые фонари для подводной видеосъемки настолько мощные, что вы можете почувствовать излучающееся тепло, если будете держать голую руку в нескольких сантиметрах от них.