Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
Фізичні властивості води
Вода може перебувати в трьох станах і переходити з одного стану в інший (мал. 7.3):
- у твердому — за температури нижче від 0 °С;
- у рідкому — за температури 0-100 °С;
- у газоподібному — за температури вище 0 °С — у вигляді водяної пари.
Мал. 7.3. Вода в газоподібному, твердому й рідкому станах
Як відомо, рідини, зокрема й вода, мають деякі властивості як твердих тіл, так і газів. Зокрема, як для рідин, так і для кристалів характерний певний об’єм. Разом з тим рідина, подібно до газу, набуває форму тієї посудини, у якій вона міститься. Для кристалів характерне впорядковане розміщення частинок, у газах вони розміщені хаотично. А в рідинах розташування частинок є відносно впорядкованим. Кожна молекула рідини протягом деякого часу коливається біля певного положення рівноваги. Час від часу молекула стрибком переміщується в нове положення рівноваги, яке розташоване від попереднього на відстані порядку розмірів самих молекул. Цим пояснюють текучість води.
Мал. 7.4. Тече вода з-під явора...1
Кожна молекула рідини зазнає притягання з боку всіх молекул. Ці сили для молекул, що перебувають всередині рідини, взаємно скомпенсовані. Рівнодійна ж сил притягання, що діє на молекули, які перебувають на поверхні розділу рідини з повітрям, напрямлена вниз — усередину рідини (мал. 7.5).
1 Тарас Шевченко. «Тече вода з-під явора».
Мал. 7.5. Сили притягання між молекулами води
На поверхні молекули в дефіциті, через що відстань між ними набагато більша від норми, тому поверхневий шар рідини розтягнутий, а між молекулами на поверхні діють сили поверхневого натягу. Унаслідок цього поверхня набуває властивостей еластичної мембрани, що дає змогу втримувати на поверхні легкі предмети, формуватися краплям та бульбашкам (мал. 7.6).
Мал. 7.6. Поверхневий натяг у повсякденні
Ще одним наслідком дії поверхневого натягу є капілярність, явища змочування й незмочування.
Капілярні явища мають велике значення в природі та техніці (мал. 7.7). Так, підйом живильного розчину стеблом або стовбуром рослини значною мірою зумовлений явищем капілярності: розчин піднімається тонкими капілярними трубками, утвореними стінками рослинних клітин. Капілярами ґрунту підіймається вода з глибинних шарів у поверхневі. Зменшивши діаметр ґрунтових капілярів ущільненням ґрунту, можна посилити притік води до його поверхні, тобто до зони випаровування, і цим пришвидшити висушування ґрунту. Навпаки, розпушивши поверхню ґрунту й зруйнувавши тим самим систему ґрунтових капілярів, можна затримати притік води до зони випаровування й уповільнити висихання ґрунту. Саме на цьому засновані відомі агротехнічні прийоми регулювання водного режиму ґрунту — накочення й боронування.
Капілярними каналами в стінках будівель, які не мають гідроізоляції, піднімається ґрунтова вода. По капілярах ґнота підіймаються змащувальні речовини (ґнотове змащування), розплавлений парафін під час горіння свічки, спирт у спиртівці тощо. Використання промокального паперу також ґрунтується на явищі капілярності, його враховують під час вибору тканин для виготовлення одягу, рушників, постільної білизни тощо (мал. 7.7).
Мал. 7.7. Вода піднімається капілярами
Як високо може піднятися вода в капілярі? Якщо рідина змочує матеріал капіляра, то всередині його поверхня рідини — меніск — має увігнуту форму (мал. 7.8, а), а рівень рідини всередині капіляра — вище відкритої поверхні. Під увігнутим меніском змочувальної рідини тиск менший, ніж під плоскою поверхнею. Тому рідина в капілярі піднімається доти, поки гідростатичний тиск піднятої в капілярі рідини на рівні плоскої поверхні не компенсуватиме різницю тиску. Тобто поки додатковий тиск не буде врівноважений гідростатичним тиском стовпа рідини.
Якщо рідина не змочує матеріал капіляра, то меніск має опуклу форму (мал. 7.8, б), а рівень рідини всередині капіляра — нижче відкритої поверхні. Під опуклим меніском незмочувальної рідини тиск більший, ніж під плоскою поверхнею, що приводить до опускання рідини в капілярі.
Додатковий тиск Ар ще називають лапласівським на честь ученого, що його досліджував (П’єр Симон де Лаплас, (1749-1827), Франція).
Мал. 7.8. Увігнутий меніск стовпчика води й опуклий меніск стовпчика ртуті в капілярах
Обернено пропорційну залежність висоти підйому рідини в капілярах від діаметра капіляра встановив ще в 1670 р. Дж. Бореллі (Джованні Альфонсо Бореллі, (1608-1679), Італія). У 1717 р. Дж. Журен (Джеймс Журен, (1684-1750), Велика Британія) відкрив закон підняття рідини в капілярних трубках, названий його ім’ям.
Закон Журена описує формула:
де σ — коефіцієнт поверхневого натягу рідини; р — густина рідини; g — прискорення вільного падіння; r — радіус капіляра.
Що меншим є радіус капіляра, то на більшу висоту піднімається в ньому рідина.
Висота підняття стовпа рідини зростає також зі збільшенням коефіцієнта поверхневого натягу рідини. Опускання незмочувальної рідини визначають за цією самою формулою.
Вам, мабуть, доводилося бачити, що краплина води може розтікатися на поверхні, а може набувати форми кульки (мал. 7.9).
Мал. 7.9. Чому вода розтікається й збирається в кульки?
Це зумовлене співвідношенням між силами притягання молекул рідини між собою та з молекулами твердого тіла, з яким контактує рідина. Якщо молекули рідини притягуються одна до одної слабше, ніж до молекул твердого тіла, — то рідина розтікається (змочує поверхню). А якщо сили притягання між молекулами самої рідини більші, ніж сили притягання цих молекул до молекул твердого тіла, — то рідина набуває форми кулі (не змочує поверхню).
Оскільки явища змочування й незмочування зумовлені відносними властивостями речовин рідини й твердого тіла, та сама рідина може бути змочувальною для одного твердого тіла й незмочувальною для іншого. Вода, наприклад, змочує скло й не змочує парафін. Кількісною мірою змочування є крайовий кут θ (мал. 7.10), утворений поверхнею твердого тіла й дотичною, проведеною до поверхні рідини в точці дотику (рідина міститься всередині кута). За змочування 0° < θ < 90°, і що меншим є кут θ, то сильнішим буде змочування. Якщо крайовий кут дорівнює нулю, змочування називають повним, або ідеальним. Прикладом ідеального змочування може бути розтікання спирту на чистій поверхні скла. У цьому разі рідина розтікається на поверхні твердого тіла доти, доки не вкриє її всю. У разі незмочування 90° < θ <180°, і що більшим є кут θ, то сильнішим буде незмочування. За значення крайового кута 180° спостерігають повне незмочування. У цьому разі рідина не розтікається на поверхні твердого тіла й легко скочується з неї.
Подібне явище можна спостерігати під час намагань вимити жирну поверхню холодною водою. Великий поверхневий натяг води заважає їй проникати в дрібні пори й проміжки між волокнами тканин. Усі, мабуть, чули рекламу мийних засобів — «Легко вимиє посуд навіть у холодній воді»? У чому тут секрет? Мийні властивості засобів для миття посуду, мила та пральних порошків зумовлені тим, що вони зменшують поверхневий натяг води й унаслідок цього забезпечують кращу мийну дію.
Явище змочування використовують для збагачення природної руди. Суть збагачення полягає в тому, щоб, видаливши порожню породу, збільшити вміст корисної копалини. Цей спосіб називають флотацією (від фр. Flotter — плавати). Подрібнену на порошок руду збовтують у воді, у яку добавляють невелику кількість олії. Рідина змочує корисний складник руди й не змочує порожню породу. Якщо рідина розчинна у воді, то, вдувши в цю суміш повітря, можна відокремити обидва складники. Покриті плівкою шматочки корисного складника руди прилипатимуть до бульбашок повітря й разом з ними підійматимуться вгору. Порожня порода осідатиме на дно.
Також флотацію використовують у виноробстві для очищення виноградного сусла, під час археологічних досліджень флотацією ґрунту виокремлюють з нього деревне вугілля або спалене насіння, на очисних спорудах у цей спосіб освітлюють стічні води тощо (мал. 7.10).
Мал. 7.10: а — процес флотації; б — флотація в дії: видобування золота, освітлення виноградного сусла, аналіз ґрунту
Рідини в гравітаційному полі створюють тиск: кожен верхній шар рідини своєю вагою тисне на шари, розташовані нижче. Цей тиск називають гідростатичним і за законом Паскаля він діє в усіх напрямках і зростає зі збільшенням глибини. Тобто тиск діє не лише на дно ємності, а й на стінки посудини та на будь-які тіла всередині самої рідини (мал. 7.11).
Мал. 7.11. Гідростатичний тиск
Глибина океанів сягає кількох кілометрів. Тому на дні океану величезний тиск. Так, наприклад, на глибині 10 км (а є й більші глибини) тиск становить близько 100 000 000 Па (мал. 7.11). Незважаючи на це, унаслідок малої стислості води, густина її на дні океанів не набагато більша, ніж поблизу поверхні.
Як показують спеціальні дослідження, і на таких великих океанських глибинах живуть риби й деякі інші істоти. Їхні організми пристосовані до існування в умовах високого тиску й темряви (мал. 7.12), а тіла здатні витримувати тиск у мільйони паскалів. Зрозуміло, що такий самий тиск і всередині них.
Мал. 7.12. Мешканці океанських глибин
Людина після спеціального тренування може без особливих пристосувань занурюватися на глибини близько 80 м. Тиск води на таких глибинах — 800 кПа. На більших глибинах, якщо не використовувати спеціальних захисних засобів, грудна клітка людини може не витримати тиску води. Щоб протистояти йому, застосовують спеціальні водолазні костюми.
Для дослідження моря на великих глибинах використовують батисфери й батискафи (мал. 7.13). Батисферу опускають у море на стальному тросі зі спеціального корабля. Батискаф не зв’язаний тросом з кораблем, має власний двигун і може пересуватися на великій глибині в будь-якому напрямку.
Мал. 7.13. Як дістатися дна океану
Теплові властивості води. Воді властива велика теплоємність, яка в 3 тис. разів більша, ніж у повітря. Це означає, що внаслідок охолодження на 1 °С води об’ємом 1 см3 можна нагріти на 1 °С повітря об’ємом З м3. Звідси стає зрозумілим значення океану як акумулятора тепла, його пом’якшувальна дія на клімат.
Для води характерна мала теплопровідність. Тому в нагріванні водоймищ головна роль належить перемішуванню води. Завдяки різним властивостям води виникло й розвивалося життя на Землі. Вода відіграє незамінну роль у всіх процесах, які відбуваються в географічній оболонці. Для води характерна певна аномалія: під час нагрівання від 0 °С до +4 °С її об’єм зменшується, і, відповідно, збільшується її густина. Максимальну густину вода має за температури +4 °С. З подальшим підвищенням температури об’єм води починає збільшуватися, а густина зменшуватися.
Отже, за t = 0 °С густина води р = 0,9998 г/см3;
за t = 4 °С густина води максимальна, р = 1,0000 г/см3;
за t = 20 °С густина води р = 0,9982 г/см3.
Така, на перший погляд, незначна різниця в густині води має велике значення для життєдіяльності мешканців водойм. З наближенням зими й унаслідок зниження температури повітря вода біля поверхні водойм починає охолоджуватися. Її густина до того ж зростає, і верхні шари води опускаються вниз. Переміщення теплих і холодних шарів відбувається доти, доки температура майже всієї води під льодом стане рівною +4 °С. Вода під час охолодження від +4 °С до 0 °С розширюється, тому лід легший від води (на 8 %) і не тоне в ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності, шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечує у них життя.
Зимова циркуляція води у водоймах важлива ще й тому, що, охолоджуючись і опускаючись до дна, верхні шари несуть із собою розчинений у воді кисень, тому глибинна частина водойми стає придатною для життя. Багато риб, які влітку плавали у верхніх шарах, узимку переміщуються ближче до дна (мал. 7.14).
Випаровування. Ми знаємо, що молекули рідини, як і твердого тіла або газу, безперервно рухаються з різними швидкостями. Молекули рідини рухаються зі швидкостями як більшими, так і меншими від середньої. Якщо якась «швидка» молекула опиниться біля поверхні, то вона може подолати притягання сусідніх молекул і вилетіти з рідини. Молекули, що вилетіли з поверхні рідини, утворюють над нею пару.
Процес пароутворення (мал. 7.15) може відбуватися з вільної поверхні рідини (випаровування) та всередині її об’єму (кипіння).
Мал. 7.14. Якзимують риби
Мал. 7.15. Випаровування в повсякденні
Внутрішня енергія рідини, яка випаровується, зменшується. Тому, якщо немає припливу енергії до рідини ззовні, то, під час випаровування вона охолоджується. Вийшовши з води навіть у спеку, ми відчуваємо холод. Вода, яка випаровується з поверхні нашого тіла, забирає від нього певну кількість теплоти.
Конденсація — перехід речовини з газоподібного стану в рідкий. Конденсація пари супроводжується виділенням енергії. Улітку ввечері, коли повітря стає холоднішим, випадає роса. Це водяна пара, що була в повітрі, унаслідок охолодження конденсується, і маленькі крапельки води осідають на травинках і листках. Конденсацією пари пояснюють утворення хмар. Водяна пара, яка піднімається над землею, утворює у верхніх, холодніших шарах повітря хмари, що складаються з безлічі найдрібніших крапельок води (мал. 7.16).
Мал. 7.16. Конденсація водяної пари
За добу з поверхні Світового океану випаровується майже стільки води, скільки міститься її в руслі річок усього світу. Підраховано, що приблизно за 3 тис. років уся сучасна маса гідросфери зазнає випаровування. Тобто з часу останнього зледеніння (10 тис. років тому) вона вже тричі пройшла через пароподібний стан в атмосфері, а за час існування Землі — декілька мільйонів разів.
Жива рослина містить у собі близько 80 % води. Частину води рослина використовує для утворення органічних речовин, а основну масу води випаровують в повітря листки. Можна визначити, скільки води випаровують листки за добу. Для цього експерименту нам знадобиться пляшка з водою, у яку помістимо гілочку будь-якої рослини з листками. Щоб вода з пляшки не випаровувалася, на поверхню води наллємо трохи олії, після чого пляшку поставимо на ваги й урівноважимо гирями. Рівно через добу, знову врівноваживши ваги, ми зможемо точно дізнатися, скільки води випарували листки за цей час.
Вода є носієм механічної й теплової енергії, транспортує речовини, здійснює роботу. Вода завдяки своїй рухливості відіграє важливу роль в обміні речовин і енергії між геосферами й різними географічними районами.