Пар под водой

Многие думают, что газообразное состояние воды существует лишь в некоторых особых условиях. Но они ошибаются. На самом деле все куда серьезнее. Ведь в любой сфере на планете Земля существует пар именно в естественных условиях. Прежде, чем говорить о возможности его существования в каких-то особых сферах на нашей планете (а также в особых условиях), надо вспомнить о том, что было открыто в последние годы вне пределов Земли. H2O существует даже в космосе, а свойства воды и пара продолжают изучаться. Конечно, может показаться странным, что в материале, который посвящен пару под водой, речь заходит о внеземных условиях. Но на самом деле ничего странного нет, потому что для того, чтобы понять возможность существования пара на Земле в необычных условиях, достаточно осознать, что есть еще более таинственные места, чем подводный мир. Поэтому, когда речь заходит о паре, нужно понимать, что молекулы воды могут оказаться практически где угодно.

Пар под водой? Спросите, есть ли пар в космосе?!

Начнем с достаточно крупных объектов, которые вращаются между орбитой Плутона и Солнцем. Это сами планеты, а также их спутники. Есть ли на них H2O в газообразной форме? Логично предположить, что есть, иначе бы эта тема вообще не была затронута. Но в то же самое время появляются некоторые сомнения: как пар может существовать без атмосферы, как он может появляться, если его невозможно удержать? На самом деле, вода в газообразном состоянии существует как на Венере, так и на Марсе, а также на других планетах. Он возникает при особых условиях и существует недолго, но все же он есть.

На более мелких объектах, например, астероидах, пар существует в минимальном количестве. Скорее, он представлен молекулами воды, что более вероятно при таком раскладе, которые временами могут соединяться друг с другом за счет классической молекулярной связи. Но не стоит забывать, что в условиях отсутствия большой гравитации очень сложно соединить вместе даже пару молекул какого-либо вещества, не говоря уже о том, чтобы собрать воедино хотя бы несколько граммов.

Смотреть видео фильм «Гейзеры и вулканы, пар под водой»

Где существуют молекулы H2O?

Даже непосредственно в космосе существует пар в своей молекулярной форме. Это неудивительно: куда еще деваться выброшенным из атмосферы различных планет молекулам воды? Только в открытый космос, где любой молекуле предоставлено огромнейшее пространство для дальнейшего движения. Исследования, проводимые учеными, показали, что существует немало элементов, которые в открытом космосе существуют в виде молекул.

Но теперь стоит вернуться к тому, существует ли пар под водой. С одной стороны, с этим поспорить трудно: где есть вода в жидком виде, там есть и вода в газообразном состоянии. Иначе говоря, существует пар. И имеется несколько причин, по которым этот водяные пары имеют полное право на существование под водой. Но сперва нужно разобраться, что представляет собой толща воды, которая покрывает большую часть земного шара.

Насколько плотен океан? Он плотен достаточно для того, чтобы живность, плавающая на глубине, была плоской во избежание повышенного давления. Внизу нет света, но есть жизнь и постоянное движение. Даже на глубине нескольких километров имеются течения, которые переносят огромные массы воды по земному шару. Количество энергии при этом подсчитать очень трудно, тем более что некоторые потоки теплые, а некоторые – холодные. Причем возникает порой такое состояние, что давление в некоторых точках очень мало, тогда как при соприкосновении потоков, движущихся с большой скоростью, давление резко вырастает. В этом случае можно смело говорить о том, что наблюдаемые процессы в некоторой степени могут повлиять на наличие пара внутри воды.

Непомерные объемы

С другой стороны, говорить о том, что при нормальных условиях существует газообразное состояние внутри самой воды, было бы не совсем правильно, поскольку как только молекула воды теряет связи с ближайшими, она тут же может образовать новые. Помните, что всего лишь в трех литрах воды имеется 10^26 степени молекул, тогда как океан – это сотни тысяч кубических километров влаги. И уже наверняка одна молекула не сможет отделиться в морской толще от других. Именно этот факт и смущает тех, кто не уверен в реальности существования пара под водой. По этой причине мы очень подробно рассматриваем все допустимые возможности.

Начнем с самого простого. Во время плавания на открытой воде, при использовании весел или ласт, возникает очень интересное явление. На воде появляется пена. Она образуется за счет незначительной вязкости воды, а также наличия воздуха, который добавляется при взмахах весел или ласт. Но в любом случае, когда вода оказывается смешана с воздухом, то давление получается неравномерным, отрыв молекул от основной массы H2O получает отличную возможность совершиться ровно в том количестве, насколько это допустимо.

Влияние давления на процессы, связанные с водой

В целом на испарение в большей степени влияет пониженное  давление, а не повышенная энергия молекул. Ведь, как известно, повышенная энергия означает более высокую температуру, а сколько воду вместе не сливай, она теплее не будет. Поэтому допустить при практически неизменной температуре получения пара можно лишь в том случае, если давление резко упадет. Вспомните, что при уменьшении атмосферного давления примерно в 100 раз, температура кипения понижается также в разы и приближается к нулю.

Когда вдруг одна волна нахлынула на другую, то в воде образуется некоторое подобие пара. В бытовом представлении пар – это следствие испарения горячей жидкости, тогда как по физическим законам пары воды – это не более чем иное состояние вещества, при котором расстояние между молекулами становится намного больше, чем при жидком. Они все так же хаотично перемещаются в пространстве, но при этом обладают большой энергией и в случае открытости системы могут передавать энергию другим телам и веществам.

В случае, когда образуется зона очень низкого давления под водой, энергия связи молекул остается прежней. Но не стоит забывать, что внешнее давление уменьшается (а именно оно сдерживает молекулы в едином целом), а потому оторваться становится проще. Вследствие этого под водой в областях низкого давления, где поверхность воды «разорвана», появляется обыкновенный пар.

Есть ли такое состояние?

Но есть и множество других примеров, которые также стоит рассмотреть, чтобы понять все причины, по которым под толстым слоем воды может существовать пар. Начнем, пожалуй, с обыденного примера, который часто встречается каждому человеку. Кипящая в кастрюле жидкость при нагреве поднимается наверх, но еще внизу она расширяется, освобождая газы, находящиеся в ней. При нагреве не только жидкость может увеличиться в объеме, но еще и газ – что ничуть не удивительно. Поэтому, когда дело доходит до серьезного повышения температуры, у самого дна кастрюли может существовать H2O в газообразном состоянии.

Но при чем здесь моря и океаны, если пример рассматривается только с кастрюлей? На самом деле подобные процессы происходят повсеместно. Существуют разнообразные причины, в основном геологического происхождения, которые и приводят к образованию областей высокой температуры. Давайте более подробно рассмотрим эти самые причины.

Всем известно, что земное ядро и мантия раскалены, обладают высокой температурой, которая, хоть и незначительно, но все же подогревает изнутри поверхность планеты. Кроме того, постоянно происходят процессы, которые кинетическую энергию и энергию тепла, полученную при трении, аккумулируют в одной точке небольшой площади, что приводит к преобразованию вещества, переходу его в жидкое состояние, расширение и прорыв на поверхность.

Вулканические процессы на земном шаре

Если говорить более простым языком, то наблюдается классический пример вулкана. Щель, через которую может вытекать расплавленная магма, либо возникший в результате смещения литосферных плит пролом открывает высокотемпературному веществу путь наверх. Какова же вероятность того, что этот путь будет открыт под водой? Достаточно большая, потому что общая площадь океанов больше, чем площадь поверхности суши.

В итоге получается очень интересное явление. Когда вулкан извергается на суше, он извергает пепел, дым и раскаленную магму, обладающую температурой в тысячи градусов. Но при этом если то же самое будет происходить под водой, то магма будет быстро застывать, однако всю свою температуру она передаст окружающей ее воде. И очень вероятно, что в некоторых точках температура может подняться до очень высоких температур. А вот получится ли в итоге пар?

С одной стороны, можно утвердительно заявить о реальности существования газообразного состояния практически в любой точке земного шара. С другой стороны, стоит изначально подсчитать, а везде ли доступны такие особенности? Мы уже много раз говорили об этом, но повторим еще раз: давление – ключ ко всему. Чем выше давление, тем выше температура кипения. Речь идет обычно об атмосферном давлении, то есть о том, насколько сильно воздух давит на поверхность планеты. Но ведь есть еще и давление жидкости. То есть, когда человек опускается под воду, то на него давит не только воздух, но еще и вода. И чем толще слой воды, тем больше давление.

Рассчитываем давление

На глубине в 10 метров давление значительно вырастает, тем более что обычно погружение происходит гораздо глубже. Проведем небольшой расчет. Трубка с площадью основания в один квадратный сантиметр и высотой в один метр вмещает ровно один литр. То есть, один килограмм. Площадь человеческого тела намного больше, площадь участка, где температура повышена – больше в тысячи раз. То есть, даже на глубине в один метр давление вырастает на 10%. Глубина в 10 метров удваивает давление. Именно по этой причине ныряльщики, которые добывают жемчуг, задерживаются на определенной глубине перед всплытием, чтобы не страдали суставы из-за расширение газов при уменьшении давления.

Итак, мы выяснили, что большая толща воды является главной причиной для того, чтобы вода не превращалась в пар вообще. На глубине менее одного километра существует крайне мало вулканов, поэтому существование пара из-за того, что под водой активизировался вулкан, имеет очень низкую вероятность появления. Другое дело, если бы вулкан существовал практически под поверхностью воды на глубине до 50 метров. Тогда можно было бы наблюдать, как нагретая вода переходит в газообразное состояние и поднимается к поверхности. Этот случай можно смело считать доказательством существования газообразного состояния внутри жидкого. Вероятно, что в ближайшем будущем могут появиться такие «затопленные» вулканы, поэтому будущим поколениям еще предстоит увидеть эти чудеса природы через 200-300 лет.

Сколько же нужно энергии?

Вообще, нагреть большой объем жидкости и довести ее до кипения очень сложно. Даже для того, чтобы вскипятить чайник нам требуется несколько минут. А если бы вода постоянно двигалась? Тогда мы бы никогда не смогли заставить воду кипеть. В этом случае удалось бы только слегка подогреть основную массу жидкости, но не более того. Аналогичное происходит и глубоко в морях и океанах. Представьте только, сколько воды успеет пройти над нагретой площадью или непосредственно рядом с магмой. Это же сотни тысяч и миллионы кубических метров воды. Неудивительно, что сквозь километровую толщу воды пока что ничего не смогло пробиться – настолько сильного извержения пока еще просто не было.

Но наверняка есть примеры подобные, которые близки к извержению подводного вулкана, но способные показать испарение влаги внутри воды. Да, примеры есть, но они слишком далеки от того, чтобы стопроцентно доказать существование в нормальных условиях такого пара. Это гейзеры. В них влага нагревается до такого состояния, что испаряется практически моментально, насыщенный пар образуется в считанные секунды. Но вот для того, чтобы из насыщенного пара затем получить воду, потребуется приложить немало усилий. Собственно, раскаленный или насыщенный пар – это то состояние влаги, вылетающей из гейзера, которое можно смело считать основным: 98% всей влаги представлено горячим паром.

Создаем машину для доказательств

Показать то же самое можно и искусственно. Для этого придется доказывать факт невозможности создания такого механизма или устройства, в котором вода и пар существовали в обратном последовательности, то есть, вода была бы не снизу, а в любом другом месте. Итак, предположим, что у нас есть устройство, которое генерирует пар. Это может быть все, что угодно, любая емкость с водой, поставленная на огонь. Далее, требуется емкость для принятия пара. Как уже говорилось ранее, чтобы газообразное состояние перешло в жидкое при той же температуре, необходимо сильно увеличить давление. То есть, придется создавать замкнутую емкость или замкнутую систему.

В том случае, если замкнутой будет только емкость с паром, не удастся докачивать внутрь дополнительные его объемы. Как следствие, не получится повышать давление более эффективно и получать воду. Однако же если создать замкнутую систему в которую будет включен еще и генератор самого пара, можно подумать, что идеальная ситуация создана. Но нет: давление в емкости с паром будет влиять и на емкость с жидкостью. В конечном итоге нетрудно предположить, что повышение давление негативно скажется на переходы воды в газообразное состояние. Поэтому ни замкнутая система, ни отдельные ее части не могут доказать существование в нормальных условиях газообразного состояния воды среди жидкого.

Подводя итоги

Пришла пора подвести итоги. Мы много рассуждали сегодня о том, может ли существовать в природе такое состояние воды или нет. С одной стороны, было бы очень интересно узнать, существует ли доказательство этого, поскольку опыты весьма субъективны и не могут точно указать на существование того или иного процесса из области физики. Однако нас не покидает уверенность, что подобные ситуации в будущем или при особых условиях все равно существуют или будут существовать. Удастся ли убедиться в этом на личном опыте – другая история. Но H2O все равно хранит немало загадок, разгадать которые смогут только будущие поколения.