Интерактивные технологии

В.Н.ТОМАШОВ,
Медиацентр ЮВАО, г. Москва

Аномальные свойства воды

Экспериментальное исследование. 10-й класс

Они сошлись. Волна и камень,
Стихи и проза, лёд и пламень
Не столь различны меж собой.
А.С.Пушкин

В одном старинном учебнике по физике начала XX в. с милыми для русского глаза «ять» и «i» (буква канула в Лету, а поговорка «Расставить точки над и» осталась) увидел я замечательную гравюру: в пробирке с водой в нижней части находится лёд, притопленный свинцовой проволочкой, а вверху кипит вода, подогреваемая пламенем свечи. (Убогое воспроизведение этой гравюры есть в учебнике [1]). Очень захотелось разобраться и, самое главное, повторить эксперимент. Пробирку взял в кабинете химии, свечу заменила таблетка «сухого спирта». Со льдом проблем не было, а вот свинцовую проволоку пришлось заменить оловянным припоем. Полчаса возни – и пузыри в верхней части воды, а также клубы пара возвестили, что опыт удался!

Какие же тепловые процессы позволяют получить совсем рядом, на расстоянии каких-то 10 см, и «лёд», и «пламень»? Обратимся к схеме опыта. Понятно, что кипение воды показывает, что температура верхней части составляет 100 °С, а наличие льда в нижней – что там температура около него 0 °С.

Как мы знаем, существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. По-видимому, последним можно пренебречь, т.к. оно через воду и стекло проникает слабо. Попробуйте ощутить тепло рукой или лицом, приблизив их к свече сбоку. Почувствовали? А теперь поместите на пути тепловых лучей стекло или лучше стакан с водой – эффект практически исчезнет.

Но теплопроводность и конвекция в воде обязательно должны быть!

Однако опыт показывает, что теплопроводность воды очень низкая, а механизм конвекции практически не работает.

Возьмём значения коэффициентов теплопроводности k для различных веществ из справочника [2] (см. таблицу).

Оказывается, что по теплопроводности вода где-то посередине между кирпичом и деревом. Теперь совершенно понятно, почему такая низкая теплопередача за счёт теплопроводности в нашем эксперименте.

Но как же быть с конвекцией? Ведь в воде она происходит весьма интенсивно, вспомните чайник на плите. Естественная конвекция осуществляется за счёт изменения плотности среды при изменении температуры. Обратимся к справочным данным по температурной зависимости плотности воды.

В справочнике [2] дана большая таблица, а следить за изменениями функции, наличием максимумов, минимумов, разрывов очень удобно, если она представлена в графическом виде. Поэтому заносим числовые данные в таблицу программы «Advanced Grafer» и «требуем» от компьютера построения графика плотности и льда, и воды.

Проанализируем его. В момент перехода воды в лёд при 0 °С плотность вещества скачком так резко меняется, что на графике пришлось обозначить разрыв. Давайте вспомним, что удельная теплота плавления льда (ранее очень образно и метко называемая скрытой удельной теплотой плавления) = 3,4 ^. 10⁵ Дж/кг. Какую огромную энергию надо отнять от вещества или сообщить ему, чтобы изменить его агрегатное состояние! (При этом его температура нисколько не меняется.) Какие сложные процессы происходят, так меняющие внутреннюю потенциальную энергию взаимодействия!

Лёд имеет гораздо меньшую плотность и плавает в воде. Это является аномалией. Большинство других веществ, например, металлы или парафин, имеют в твёрдом виде большую плотность, чем в расплавленном, и тонут в своём расплаве. Вода же имеет максимальную плотность при +4 °С, которая уменьшается и с ростом температуры, и с её уменьшением до 0 °С. Удивительное поведение [3]! Теперь понятно, почему не работает механизм конвекции: плотность нагреваемой сверху воды уменьшается, она не может опуститься вниз и отдать тепло льду. Не случайно все нагревательные приборы: плиты, кипятильники, ТЭНы электрочайников помещают снизу. Правда, монотонного увеличения плотности от верхнего кипящего слоя до нижнего, в котором плавает лёд, нет. Это значит, что должна быть небольшая конвекция в нижних слоях жидкости, которая, конечно, ускоряет таяние льда. Но она не захватывает верхние – очень горячие – слои, так что эффект небольшой.

Аналогичные механизмы работают и в природе и имеют огромное значение для существовании жизни на Земле. В водоёмах перед наступлением зимы постепенно охлаждающаяся вода, делаясь плотнее, опускается вниз (конвекция) до тех пор, пока температура всего водоёма не достигнет +4 °С. При дальнейшем охлаждении более холодная вода остаётся сверху, и всякая конвекция прекращается, а теплопроводность воды, как мы знаем, очень низкая. В результате создаётся необычное положение: тонкий слой холодной воды становится «одеялом» для всех обитателей подводного мира, предохраняя их от сильного мороза. (Разумеется, низкая теплопроводность льда, и тем более снега, также защищает от низких температур воздуха.) При +4 °С они чувствуют себя очень неплохо. Рыбы продолжают вести активный образ жизни – вспомним прелести зимней рыбалки. Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала нормальными свойствами, а лёд был бы, как и полагается любому нормальному веществу, плотнее своей жидкой фазы (воды): зимой намерзающий сверху более плотный лёд тонул бы в воде, непрерывно опускаясь на дно. Летом лёд, закрытый толстым слоем холодной воды, не смог бы за лето растаять. Постепенно все озера, пруды, реки промёрзли бы целиком, превратившись в гигантские ледяные заторы. Потом промёрзли бы все моря и океаны. Весь мир превратился бы в ледяную пустыню, кое-где покрытую талой водой.

Как хорошо, что вода обладает аномальными свойствами!

Литература

1. Пёрышкин А.В., Родина Н.А. Физика-8. – М.: Просвещение, 2001.

2. Енохович А.С. Справочник по физике. – М.: Просвещение, 1990.

3. Петрянов И.В. Самое необыкновенное вещество в мире. – М: Раритет, 1998.