Р Е Ф Е Р А Т ПО ФИЗИКЕ
Т е м а: ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ
Выполнили: ученики 8-б класса
Пичугин Максим,
Романов Андрей
город Дзержинск 2007 год
П Л А Н:
Введение
Уникальность тепловых свойств воды
2. Влияние тепловых свойств воды на жизнь на Земле:
2.1. Эффект замерзания воды «сверху вниз»;
2.2. Потение и охлаждение;
Сбалансированность климата Земли.
3. Опыты, подтверждающие необычные свойства воды:
3.1. Лёд, не тающий в кипятке;
Горячий лёд.
Заключение.
Приложение (графики и рисунки)
Введение
Большая часть нашей планеты покрыта водой. Океаны и моря составляют три четверти земной поверхности, на которой так же имеется бесчисленное количество рек и озёр. Снег и лёд на вершинах гор – это замёрзшая вода. Значительная часть заменой воды находится в атмосфере. Каждое облако содержит тысячи, а иногда миллионы тонн воды в форме испарений. Время от времени эти испарения превращаются в воду и выпадают на землю в виде дождя. Даже воздух, которым мы дышим, содержит некоторое количество влаги. Человеческое тело приблизительно на 70% состоит из воды. Клетки нашего тела содержат большое количество различных веществ, но ни одно из них так не важно, как вода. Вода – это большая часть циркулирующей в нашем теле крови. И так не только у людей: большая часть тела всех живых существ - это вода. Кажется, что без воды жизнь невозможна. Вода представляет собой субстанцию, каждое физическое и химическое свойство которой создано для жизни.
В книге «Уникальность биологических материалов» биохимик А.Е.Нидхем отмечает необходимость воды для зарождения жизни. Если бы существовали только твёрдые вещества или газы, жизнь бы никогда не возникла. Причина в том, что атомы твёрдых веществ расположены слишком близко друг к другу. Они статичны и не позволяют развиваться необходимым для жизни динамическим процессам. В газах, с другой стороны, атомы движутся свободно и хаотично: в такой среде функционирование сложных механизмов жизненных форм также невозможно.
Короче говоря, существование жидкой среды абсолютно необходимо, и самая идеальная жидкость для этой цели – вода. Учёные давно обратили внимание на то, что вода обладает свойствами, соответствующими требованиям жизни. Первая попытка детально исследовать этот предмет была предпринята натуралистом Вильямом Вивелом в книге «Астрономия и общая физика в отношении к теологии природы», опубликованной в 1832 году. Исследуя тепловые свойства воды, Вивел обнаружил, что некоторые из них нарушают общепринятые законы природы. Он пришёл к заключению, что в этих несоответствиях присутствует божественный замысел, и они являются доказательством того, что вода была сотворена для жизни.
Наиболее основательный анализ пригодности воды для поддержания жизни на Земле был сделан профессором Гарвардского университета Лоуренсом Хендерсоном спустя столетие после публикации работы Вивела в книге «Гармония окружающей среды».
Дальнейшие исследования показали, что за незатейливой формулой Н2О скрывается вещество, обладающее уникальной структурой и не менее уникальными свойствами. Исследователи, пытавшиеся на протяжении двух столетий раскрыть секреты воды, часто заходили в тупик. Да и сейчас учёные понимают, что вода остаётся трудным объектом для исследований, её свойства до сих пор не всегда до конца прогнозируемы.
УНИКАЛЬНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ВОДЫ.
Почему жидкая вода имеет необычные свойства? Традиционный ответ может быть следующим: из-за свойств атомов кислорода и водорода, из-за их структурного расположения в молекуле, из-за определённого поведения электронов в молекуле и т.п.
Так в чём же заключаются необычные свойства всем привычной жидкой воды? Существуют несколько отдельных моментов, в отношении которых тепловые свойства воды уникальны.
1.1. Все известные твёрдые вещества при охлаждении сокращаются в объёме. Это справедливо и для всех известных жидкостей: при понижении температуры уменьшается их объём. При уменьшении объёма возрастает плотность, и более холодные части жидкости становятся тяжелее. Поэтому вещества весят больше (по объёму), когда они находятся в твёрдой, а не в жидкой форме. Только в одном случае этот «закон» нарушается – когда мы имеем дело с водой. Подобно другим жидкостям, вода сокращается в объёме при охлаждении, но происходит это лишь до температуры 4 градуса по Цельсию. При дальнейшем же понижении температуры, в отличие от всех других жидкостей, вода вдруг начинает расширяться и, когда она замерзает, то есть оказывается в твёрдом состоянии, она расширяется ещё больше. В результате «твёрдая вода» легче «жидкой воды». По законам физики твёрдая вода, т.е. лёд, должен быть тяжелее жидкой воды и тонуть, однако он плавает на поверхности воды.
Когда лёд тает и вода испаряется, тепло поглощается из окружающей среды. Когда этот процесс протекает в обратном направлении (т.е. вода замерзает или пар осаждается), высвобождается тепло. В физике это явление обозначается термином «латентное тепло». Все жидкости обладают латентным теплом, но латентное тепло воды самое известное. При «нормальных» температурах только латентное тепло аммиака при замерзании выше латентного тепла воды. В отношении же латентного тепла при испарении ни одна жидкость не может сравниться с водой.
1.2. Тепловая ёмкость воды, то есть количество тепла, необходимое для увеличения температуры воды на один градус, выше, чем у большинства других жидкостей. Только водород и аммиак обладают большей, чем вода, теплоёмкостью. У всех тел, кроме ртути и жидкой воды, удельная теплоёмкость с повышением температуры возрастает. У воды же удельная теплоёмкость в интервале температур от 0 до 35 градусов падает, а затем начинает возрастать.
1.3. Тепловая проводимость воды, т.е. способность передавать тепло, в четыре раза выше, чем у других жидкостей.
1.4. Тепловая проводимость льда и снега, напротив, низка.
1.5. Точки кипения и замерзания.
Что касается температуры кипения, то она находится в прямой зависимости от давления: с увеличением давления она возрастает. Это свойство воды использовалось раньше для определения высоты местности в горах. Температура кипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.
Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания (плавления) воды, с повышением давления она падает (но только до давления 2200 атм). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 3530 атм вода замерзает при минус 17, при 6380 атм – при 0 градусов, при 16500 атм – при 60, а при 20670 атм – при 76 градусах по Цельсию. В последних двух случаях мы уже имеем горячие льды.