Замерзая в трещинах скал, вода нередко является причиной горных обвалов.
Рассмотрим теперь один опыт, который имеет прямое отношение к расширению воды при нагревании. Постановка этого опыта требует специального оборудования, и вряд ли кто из читателей может его воспроизвести в домашней обстановке. Да это и не является необходимостью; опыт легко себе представить, а его результаты мы постараемся подтвердить на хорошо знакомых для каждого примерах.
Возьмём очень крепкий металлический, лучше всего стальной цилиндр (рис. 5), насыплем на дно его немного дроби, наполним водой, укрепим крышку болтами и станем поворачивать винт. Так как вода сжимается очень мало, то долго крутить винт не придётся. Уже после нескольких оборотов давление внутри цилиндра поднимается до сотен атмосфер. Если теперь цилиндр охладить даже на 2–3 градуса ниже нуля, то вода в нём не замёрзнет. Но как в этом убедиться? Если открыть цилиндр, то при такой температуре и атмосферном давлении вода моментально превратится в лёд, и мы не будем знать, была ли она жидкой или твёрдой, когда находилась под давлением. Здесь нам помогут насыпанные дробинки. Когда цилиндр остужен, перевернём его вверх дном. Если вода замёрзла, дробь будет лежать на дне, если не замёрзла, дробь соберётся у крышки. Открутим винт. Давление упадёт, и вода обязательно замёрзнет. Сняв крышку, мы убеждаемся, что вся дробь собралась около крышки. Значит, действительно вода, находящаяся под давлением, не замерзала при температуре ниже нуля.
Рис. 5.
Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.
Если бы мы стали строить свои рассуждения на основании наблюдений над множеством других веществ, то должны были бы прийти к обратному выводу. Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объёме. Давление вызывает уменьшение объёма и этим облегчает переход жидкости в твёрдое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объёме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расширению воды, понижает температуру её замерзания.
Рис. 6. Давление понижает температуру плавления льда.
Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже нуля градусов, и тем не менее вода на этих глубинах не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около ста атмосфер.
Будь вода нормальной жидкостью, мы вряд ли бы испытывали удовольствие от катанья на коньках по льду. Это было бы то же самое, что и катанье по совершенно гладкому стеклу. Коньки не скользят по стеклу. Совсем другое дело на льду. Кататься на коньках по льду очень легко. Почему? Под тяжестью нашего тела тонкое лезвие конька производит на лёд довольно сильное давление, и лёд под коньком тает; образуется тонкая плёнка воды, которая служит превосходной смазкой. Опыт, показанный на рисунке 6, убедительно подтверждает это. Под тонкой проволокой возникает давление, при котором лёд плавится, и проволока проходит через весь кусок. Поверх проволоки этого давления нет, и образовавшаяся вода снова застывает, спаивая куски льда вместе. Опыт этот удаётся тем лучше, чем тоньше проволока и тяжелее груз.
6. Горячий лёд
Лёд не тонет в воде. Это — одна из особенностей воды. Однако нам не следует думать, что поведение воды всегда «безнадёжно»: иногда она начинает вести себя вполне нормально, так же, как и все другие жидкости. Знаете ли вы, что бывает лёд, который тонет в воде? Такой лёд удалось получить около сорока лет назад. При этом было обнаружено, что вода может давать лёд четырёх различных видов, не считая обыкновенного: лёд II, лёд III, лёд V и лёд VI (существование льда IV находится под сомнением).
Снова возьмём наш стальной цилиндр (см. рис. 5) и наполним его водой. Сдавим воду до 2000 атмосфер и охладим до тридцати градусов мороза. Вода застынет в нём в обыкновенный лёд. С помощью винта станем при этой температуре увеличивать давление. Прибор показывает 2115 атмосфер, и мы замечаем, что дальнейшее вращение винта уже не приводит к повышению давления. Это происходит потому, что обыкновенный лёд переходит в так называемый лёд III, который не только плотнее обыкновенного льда, но на пять процентов плотнее воды.
Естественно, он будет занимать меньший объём, почему при движении винта и не увеличивается давление. Лёд III — это лёд, который тонет в воде.
Если поднять давление до 3 тысяч атмосфер и охладить цилиндр до минус 80 градусов, то образуется лёд II, который плотнее обыкновенного льда на 22 процента. Быстро развинтив прибор, можно успеть высыпать этот лёд на стол. При этом будет наблюдаться интересное явление: лёд II, увеличиваясь в объёме, станет вспучиваться и рассыпаться в порошок обыкновенного льда (льда I), подобно тому как растёт в своём объёме и рассыпается известь при гашении её водой.
При давлениях немногим выше 20 тысяч атмосфер вода даёт новый лёд, — лёд VI, который плотнее воды на 9, 5 процента. Чтобы расплавить такой лёд, надо нагреть его до плюс 80 градусов. Это уже, так сказать, «горячий» лёд.
Теперь предположим, что мы сжали воду в цилиндре до нескольких тысяч атмосфер и после этого выставили его на мороз. Лопнет ли наш цилиндр при замерзании воды? Нет, не лопнет. Ведь он выдержал давление, под которым находилась вода! При застывании воды в таких условиях давление в цилиндре не возрастает, а падает, так как образующийся лёд плотнее воды и занимает меньший объём.
Особенность воды, связанная с увеличением объёма при замерзании, имеет место только при давлениях ниже 2000 атмосфер. При более высоких давлениях эта особенность исчезает, и поведение воды становится похожим на поведение всех других веществ.
Следовательно, нельзя без оговорки утверждать, что лёд всегда плавает в воде и плавится при нуле градусов. При известных условиях лёд может быть тяжелее воды и иметь температуру плавления даже плюс 80 градусов.
7. Единица теплоты
При сжигании топлива — дров, угля, нефти и т. д. — выделяется тепло. Этим теплом можно нагреть, например, воду, превратив её из жидкости в пар. Пар за счёт своего тепла может совершать работу: поднять тяжёлый молот, привести в движение колёса паровоза, вращать винт океанского парохода. Измерять количество теплоты, заключённой в нагретом теле, мы можем по той работе, которую совершает это тело при своём охлаждении. Однако практически оказалось более удобным измерять теплоту особой единицей, которую при желании можно легко пересчитать в единицы работы. Условились считать единицей теплоты то её количество, которое необходимо сообщить одному грамму воды, чтобы нагреть его на один градус. Эту единицу, как мы уже говорили, называют калорией. Вы видите, что и здесь воде, как носителю определённых тепловых свойств, отведено весьма почётное место.
Если поставить холодный утюг на горячую плиту, часть тепла от плиты перейдёт к утюгу, и он нагреется. Получая тепло, вода, как и любое другое вещество, конечно, нагревается тоже. Но и здесь вода сохраняет своеобразный характер: один грамм воды требует для нагревания на один градус значительно больше тепла, чем один грамм любого другого вещества. Равное по весу количество свинца при нагревании на то же число градусов требует тепла в тридцать раз меньше, железо в девять раз, а кирпич примерно в пять раз меньше, чем вода. Только немногие тела пытаются в этом отношении соревноваться с водой — это дерево, спирт, эфир и некоторые другие; они требуют приблизительно половины того количества тепла, которое нужно для воды. Даже лёд, представляющий собой ту же воду, только в твёрдом состоянии, требует в два раза меньше тепла по сравнению с жидкой водой.
Способность тела поглощать то или другое количество теплоты при нагревании одного грамма его на один градус называют удельной теплоёмкостью (величина удельной теплоёмкости воды участвует в очень многих теплотехнических расчётах). И мы можем сказать, что удельная теплоёмкость жидкой воды — самая большая среди теплоёмкостей других тел. Здесь вода не проявляет какой-либо аномалии, она только стоит особняком в ряду других веществ и отличается от них только в количественном отношении.
Большая теплоёмкость воды имеет огромное значение и в природе, и в нашей практической жизни, бывая в одних случаях выгодной, а в других нежелательной.
Чтобы вскипятить чайник воды на электрической плитке, приходится затрачивать сравнительно много энергии, что совсем невыгодно отражается на показаниях электросчётчика. Но когда мы принимаем ванну, то с удовольствием ощущаем продолжительное время приятную теплоту; имея меньшую теплоёмкость, вода охлаждалась бы быстрее. Применение водяного отопления зданий или, наоборот, охлаждения водою машин также связано, помимо удобства использования воды, с выгодным её отличием — большой теплоёмкостью.
Большой теплоёмкостью воды в немалой степени определяется и климат нашей планеты.
Теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, по сравнению с водой мала, и хотя поверхность суши поглощает лишь ничтожную долю падающей на неё солнечной энергии, нагревается она очень сильно, — в течение суток температура почвы в некоторых районах может изменяться на десятки градусов. Горные породы и почва плохо проводят тепло, и в основном тепло от суши передаётся воздуху. В летнее время, например, воздух получает тепла от песчаной пустыни в 130 раз больше, а от гранита в 75 раз больше, чем от поверхности открытого моря.
Теплоёмкость воды, как мы уже знаем, велика. Кроме того, верхние слои морской воды очень подвижны. Морские течения и волны постоянно перемешивают их. В результате летом вода, хотя и поглощает огромное количество солнечного тепла, остаётся холоднее поверхности суши и нагревает морской воздух слабее, чем суша. Вполне естественно поэтому, что в летнее время над морем воздух прохладнее, чем над материком.