Всем известны границы температур у воды. Это нулевая температура, при которой вода превращается в лед, а также 100 градусов по Цельсию, которые обозначают испарение. О том, что вода может превратиться в пар гораздо медленнее, но и при более низкой температуре, вы наверняка уже узнали, а вот какие могут быть температуры у воды в ее обычном состоянии?
Начнем с того, что воду можно просто посолить. Сделать это нетрудно, достаточно всего лишь одной ложки соли на стакан. Проведите этот опыт у себя дома, вынесите воду на улицу зимой, поставьте ее в холодильник, если снаружи недостаточно холодно. Сделав это, проверьте, при какой температуре вода все еще никак не может замерзнуть. Соленость в 0,35 промилле, стандартная для морей, понижает температуру замерзания воды до -1,9 градуса, тогда как 0,3 промилле дают -1,6 градуса. Можно провести опыт еще несколько раз, добавив больше соли в жидкость, чтобы узнать, какая жидкость не замерзнет при -5.
Вообще, если продолжить разговор о соленой воде, то у нее есть еще множество параметров, которые изменяются в зависимости от уровня солености, тогда как есть и прочие особенности. Конечно, температура воды при повышенном давлении оказывается в больших рамках, нежели при нормальном. Более того, когда температура кипения сдвигается вверх при повышении давления, что означает порой увеличение диапазона, можно ожидать, что и температура замерзания жидкости будет повышаться. Как это можно объяснить? Только тем, что при повышенном давлении кинетическая энергия молекул будет уменьшаться. Но на самом деле происходит совершенно обратное явление.
Уравнение с абсолютной температурой
Согласно уравнению Менделеева-Клапейронаможно доказать, что температура замерзания сдвигается вниз, то есть, при увеличении давления в несколько десятков раз можно получить температуру меньше на 10-15 градусов. То есть, вполне можно объяснить наличие воды на других планетах не в жидком, а в твердом состоянии: если давление будет меньше, чем на Земле, то и замерзать она будет при более высоких температурах. Поэтому некоторые явления очень легко объяснить только при помощи законов и уравнений, а не при помощи наблюдений.
Если же вернуться к соленой воде, то можно легко провести еще один опыт, который покажет, что расширение температурных границ продолжается и при кипении. То есть, соленая вода кипит при более высокой температуре. Давайте же более подробно рассмотрим тот процесс, который происходит в жидкости, когда в ней растворяют больше соли.
После того, как в жидкость опустили ложку с солью, она превращается в соляной раствор. Это уже обыкновенная химия, но мы будем видеть этот процесс с несколько иной точки зрения. Пусть у нас есть два вещества: вода и соль. Теплоемкости и прочие физические параметры, связанные с изменением температуры, различные у разных веществ, поэтому нетрудно понять, что для того, чтобы соль смерзлась или расплавилась при нагревании, требуется другое количество энергии. Когда в воде оказывается соль, то у раствора за некоторой погрешностью оказывается средняя температура замерзания и кипения, чем у соответствующих веществ. Получается это за счет того, что масса соли намного меньше, чем масса воды: одна ложка против одного стакана дает большую разницу.
Соляной раствор воды
Растворенная соль, однако, не просто заполняет пространство между молекулами воды. Она образует сложные химические связи, для разрыва которых тоже требуется энергия. Именно об этом шла речь, когда говорилось о небольшой погрешности. Ионные связи между солью и водой образуются в достаточной степени, поэтому разделить эти вещества не представляется возможным, кроме как при помощи сложных химических реакций или же простого испарения. Таким образом, когда соли в жидкости растворено оптимальное количество, можно говорить о том, что энергии для нагревания или кристаллизации потребуется гораздо больше.
Вообще, у воды есть множество веществ-«друзей», если можно так сказать. Это не только классическийNaCl, который рассыпают на улицах зимой, который можно положить в кастрюлю с супом или в любое другое блюдо. Это множество других солей, различных минералов, которые могут образовать аналогичные соединения в воде. Все они в той или иной степени повышают количество теплоты, необходимое для перехода в другое состояние, относительно жидкого. Поэтому получается, что в жидком состоянии вода может существовать в гораздо большем диапазоне температур.
Теперь точно известно, что в жидком состоянии можно держать воду при помощи химических связей и повышенного давления. Нетрудно догадаться, что все это необходимо для проведения разнообразных опытов с энергией: ведь именно в воде сосредоточено достаточно большое количество запасов энергии.
