Вода

Две трети поверхности Земли занимает вода, масса которой 1,5*1021 кг. Вода совершает круговорот в природе. С поверхности морей и океанов вода интенсивно испаряется, образуя облака. Из туч она проливается снова на Землю, просачивается сквозь почву, образуя немалых размеров подземные резервуары пресной воды. А из них берут начало реки. Вода имеется и в космосе. Данные радиоастрономии свидетельствуют о наличие огромных водяных облаков протяженностью десятки астрономических единиц (одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца).

Две трети поверхности Земли занимает вода

Ввиду столь большой распространенности в природе, вода стала эталоном многих физических свойств. Плотность и вязкость ее приняты за единицу. Температура затвердевания воды принята за ноль, а кипения – за 100 градусов (по шкале Цельсия).

Вода в большом количестве расходуется на повседневные нужды человека, причем она должна быть пресной и очищенной от всяких примесей. Еще в Древнем Риме водопровод поставлял ежедневно до 3 л чистой воды на каждого жителя. Но если говорить только о том количестве, которое человек должен употреблять ежедневно для поддержания жизни, то это всего 2,5 л. С другой стороны, за 60 лет жизни человек выпивает 50 м³ воды – железнодорожную цистерну...

Вода используется в разнообразных приборах и устройствах. Она крутит колеса водяных мельниц и роторы гидротурбин. В античной Греции были известны водяные часы – клепсидры, аналогом которых являются песочные часы. Греки ставили клепсидру в суде: обвинителю и защитнику отводили одинаковое время, которое измеряли по объему вытекающей воды.

Вода является наилучшим растворителем: в ней в той или иной степени растворяются почти все неорганические вещества и немало органических веществ. Воды Мирового океана содержит в растворенной состоянии свыше 60 элементов периодической системы. Так, золота в Мировом океане содержится столько, что если его полностью извлечь, то на каждого жителя Земли достанется по три килограмма.

По периодической таблице Д.И. Менделеева можно предсказать все свойства любого вещества. Но вода и тут является исключением. При обычном атмосферном давлении вода должна была бы закипать при -70 градусов Цельсия. Здесь стоит именно минус, а не тире. То есть, она обязана кипеть на 170 градусов Цельсия ниже, чем она закипает в действительности. Замерзнуть же вода должна при -90 градусов Цельсия, а вовсе не при 0 градусов Цельсия. И лед, образовавшийся при этом, должен был бы сразу тонуть, а не плавать на поверхности воды. Из плохо закрученного крана вода не должна была бы капать, а должна была бы литься тоненькой струйкой. А сахар в воде должен был бы растворяться медленно и плохо – в лучшем случае несколько крупинок на стакан воды. Так что меда в природе быть не должно. И сладкий чай, и варенье тоже не имеют особых прав на существование. При охлаждении ниже +4 градусов Цельсия вода расширяется. Она также расширяется при затвердевании, и лед легче воды. Зимой в водоемах, прудах, озерах, реках под слоем льда сохраняется вплоть до очень больших морозов незатвердевшая вода с температурой +4 градусов Цельсия, и в этой воде зимуют рыбы. Если бы вода не имела такой аномалии, водоемы вымерзли бы до дна, и вся рыба погибла. Вода обладает многими другими аномалиями. Так вязкость ее уменьшается с ростом давления (у всех других жидкостей вязкость возрастает). Скорость звука в воде возрастает с ростом температуры (у всех других жидкостей она уменьшается). Теплопроводность и диэлектрическая проницаемость воды больше, чем у всех других жидкостей. По поверхностному натяжению вода занимает второе место после ртути, по теплоте плавления – второе место после аммиака. Теплоемкость воды втрое больше, чем у других распространенных веществ. При повышении температуры от 0 до 70–75 градусов Цельсия сжимаемость воды уменьшается, тогда как у всех других жидкостей сжимаемость возрастает. По этому показателю она становится похожей на обычные жидкости лишь вблизи температуры кипения.

Рассказ о следующей аномалии воды лучше всего начать с описания ощущений неопытного путешественника, впервые попавшего в пустыню Сахару. Путешественник, конечно, предполагал, что в пустыне жарко, но чтобы до такой степени... Скорее бы зашло Солнце и наступила долгожданная прохлада! И солнце заходит. И действительно сразу же становится прохладнее. Еще прохладнее. Совсем прохладно. Холодно. Очень холодно. Скорее бы взошло солнце... Да, теплоемкость воды – а здесь идет речь именно об этом свойстве – намного превышает теплоемкость подавляющего большинства других веществ. В местностях, богатых водой, даже при сильно палящем солнце температура поднимается сравнительно медленно: значительная часть приходящего тепла захватывается водой. Но и после того, как светило скрывается за горизонтом, температура в таких местностях падает тоже медленно: вода постепенно отдает воздуху значительное количество тепла, накопленного ею. Вот почему она служит прекрасным регулятором климата. Теперь становится ясным, что именно должен был учесть путешественник, отправившийся в Сахару. Воды в Сахаре нет. Зато есть песок. Теплоемкость песка впятеро меньше, чем воды. Поэтому днем, под жарким солнцем песок очень быстро нагревается – ему для этого тепла требуется совсем немного. Но зато ночью, отдав весь свой небогатый запас тепла, быстро остывает. И поэтому в южных пустынях по ночам очень холодно.

Читатель, по-видимому, подготовлен к тому, что и по величине скрытой теплоты парообразования вода является абсолютным чемпионом. Сразу можно отметить, что эта аномалия безусловно полезная. Не имей вода такой высокой теплоты парообразования, вряд ли на нашей планете были бы реки и озера, океаны – большая часть воды, а то и вся находилась бы в виде паров атмосфере. Хорош был бы ландшафт нашей планеты, которая не имела бы жидкой воды, но зато была бы окутана плотной и непроницаемой атмосферой, состоящей почти сплошь из паров воды! Высокое значение скрытой теплоты испарения воды объясняет и регулирующее действие воды на климат Земли. Вода, испаряясь, охлаждает атмосферу, а проливаясь дождем, нагревает ее.

Раз мы заговорили о льде, то тут естественно вспомнить об одной аномалии воды, связанной со свойствами именно кристаллической модификации этого вещества. Речь идет об аномальном изменении свойств льда с изменением давления. Конькобежец так легко катится по льду потому, что под давлением, которое оказывают на лед лезвия коньков, лед плавится и образующаяся жидкая вода является великолепной смазкой. Об этом знают все. Но не все знают, что этого быть не должно. Потому что у всех иных веществ, сколько их насчитывает химия, за исключением разве двух-трех, при повышении давления температура плавления не понижается, а повышается. У воды же наоборот: понижение давления ведет к понижению температуры плавления льда.

Скажите, вы никогда не задумывались, каким образом вода поднимается от корней к верхушкам высоких деревьев? Ведь в соответствии с известными законами механики невозможно путем создания разности давлений осуществить самопроизвольный подъем воды на высоту более 10 м. Впрочем, в растениях природа подъема воды иная, капиллярная. Известно, что если опустить в жидкость капилляр, то жидкость в нем поднимется. Подъем этот будет тем больше, чем меньше диаметр капилляра и чем выше поверхностное натяжение жидкости.

Перечисленные удивительные свойства воды требуют объяснения с каких-то единых позиций, но этого еще никому не удалось сделать. Можно сделать вывод, что простая вода – далеко не изученное вещество.

Инструменты