Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
35
Nhờ đặc tính giảm nóng, lạnh trên Trái đất, cá có thể bơi lội trong nước, con người bò qua “cầu băng nho khô”…
Chúng ta hãy xem xét một số tính chất này.
Nước là một trong những chất hiếm, trong điều kiện bình thường của cuộc sống chúng ta, được tìm thấy ở dạng rắn, lỏng và khí. Có bao nhiêu bạn đã từng thấy xăng rắn (nhiệt độ nóng chảy của nó thấp hơn - 60°C)? Chúng ta chỉ có thể nhìn thấy sắt lỏng trong chuyến tham quan đến nhà máy luyện kim và không khí lỏng - trong các phòng thí nghiệm đặc biệt. Nhưng chúng tôi biết rõ nước ở cả ba bang. Mùa đông đứng bên bờ sông thấy băng - trạng thái rắn của nước, thấy nước trong hố, ta thở ra hơi nước theo hơi thở (vô hình).
Biết rằng mọi vật đều nở ra khi nóng lên và co lại khi nguội đi. Điều này áp dụng cho nước. Điều này giải thích, ví dụ, việc làm nóng nước bằng đối lưu. Nhưng nếu chúng ta quan sát sự giãn nở và co lại của nước khi nhiệt độ của nó thay đổi một cách cẩn thận hơn, chúng ta sẽ nhận thấy một đặc điểm của nước có tầm quan trọng rất lớn đối với con người.
Hãy tưởng tượng rằng hai bình giống hệt nhau chứa đầy chất lỏng. Một bình chứa nước, bình kia chứa bất kỳ chất lỏng nào khác, chẳng hạn như xăng, và cả hai chất lỏng đều có cùng nhiệt độ, ví dụ: 15°C. Chúng tôi sẽ làm lạnh dần dần các chất lỏng này xuống 0°C. Lúc đầu, nước sẽ không thể hiện bất kỳ “điều kỳ diệu” nào; cả hai chất lỏng sẽ trôi đi. Nhưng sau khi nhiệt độ của chất lỏng bằng 4°C, xăng sẽ tiếp tục bốc hơi và nước sẽ bắt đầu nở ra!
Hãy xem xét quá trình ngược lại: chúng ta sẽ đun nóng những chất lỏng này từ 0°C. Xăng (và các chất lỏng khác) sẽ chỉ nở ra, còn nước trước tiên sẽ đóng lại với nhau và chỉ sau 4°C, nó mới bắt đầu nở ra, tức là nó sẽ hoạt động giống như các chất lỏng khác.
Bạn có thể tiếp tục thí nghiệm chứng minh tính chất tuyệt vời này của nước. Đổ nước lạnh vào bình hoặc ly cao khoảng một nửa (nếu có thể, lấy nước lạnh hơn nhưng không lạnh hơn 4°C) và hạ nhiệt kế vào nước có thể thay đổi nhiệt độ từ 0°C trở lên (ví dụ: nhiệt kế phòng thí nghiệm trường học hoặc nhiệt kế phòng là phù hợp). Bình chứa nhiệt kế phải được giữ ở mức gần lạnh nếu bạn cố định nhiệt kế sao cho chỉ có thể di chuyển lên xuống). Bây giờ cẩn thận đặt những miếng băng nhỏ lên mặt nước thành lớp 2-4 cm và quan sát chỉ số nhiệt kế. Nhiệt kế sẽ giảm xuống, nhưng khi nhiệt độ đạt gần 4°C (có thể chênh lệch 1-1,5°, điều này phụ thuộc vào chất lượng của nhiệt kế, tức là “loại” của nó, tùy vào sự hiện diện của các hạt trong nước và các lý do khác), bạn sẽ thấy cột nhiệt kế sẽ vẫn còn. Hãy chắc chắn rằng nó đứng yên và sau đó cẩn thận nhấc nhiệt kế lên cho đến khi bình chứa của nó nằm ở lớp nước trên cùng, nơi có đá. Bạn sẽ thấy nhiệt độ ở đó gần bằng 0°C. Bạn có thể phải thêm đá vào trong quá trình thử nghiệm; làm điều này một cách cẩn thận để nó không bị chìm xuống và trộn lẫn với các lớp nước bên dưới.
36
Từ những quan sát của chúng tôi, nước có mật độ cao nhất ở 4 °C; khi được làm nóng trên nhiệt độ này và khi được làm lạnh dưới nhiệt độ này, mật độ của nước giảm. Đặc tính này của nước ngọt (nước biển không có) được gọi là dị thường giãn nở Tellan (dị thường - không đều, sai lệch so với quy luật chung).
Hình 1 thể hiện đồ thị thể tích nước theo nhiệt độ (đối với 1 g nước). Hãy sử dụng nó và vẽ đồ thị về mật độ của nước so với nhiệt độ.
Nhờ sự giãn nở bất thường của nước Tellan, các hồ chứa nước ngọt không bị đóng băng cho đến ngày mùa đông. Khi thời tiết lạnh đến, không khí phía trên hồ, sông hoặc ao dần nguội đi. Lớp nước phía trên va chạm với nó cũng nguội đi. Khi còn sót lại, nó trở nên đặc hơn và chìm xuống đáy - nó chìm trong vùng nước ấm ít đặc hơn. Dần dần, lớp nước dưới cùng trở nên lạnh hơn và cuối cùng nhiệt độ của nó đạt tới 4°C. Vùng nước phía trên nó tiếp tục nguội đi từ 4 °C xuống 0 °C, nhưng bây giờ mật độ của chúng trở nên ít hơn và chúng không chìm cao hơn nữa. Do đó, một lớp nước tương đối ấm vẫn tồn tại dưới đáy hồ ngay cả trong mùa đông, trong đó cá, động vật giáp xác và tảo trú đông.
Nhưng “phép lạ” không dừng lại ở đó; nước không tiết kiệm những điều bất ngờ.
Lấy hai ống nghiệm (hoặc lọ thủy tinh nhỏ) đổ nước vào một ống, đun chảy rượu vodka hoặc stearin vào ống còn lại. Để sáp trong phòng - nó sẽ nhanh chóng cứng lại và bạn sẽ phải sử dụng nước
Temperature graph
Hình 1.
lấy ra nơi lạnh hoặc cho vào ngăn đá tủ lạnh để thành đá. Và một lần nữa nước sẽ làm chúng ta ngạc nhiên! Trong quá trình đông cứng, sáp tan chảy và tạo thành một lỗ nước sâu trên bề mặt của nó. Và trên bề mặt băng, bạn sẽ thấy một chỗ phình ra (và nếu bong bóng chứa đầy nước lên trên và đóng lại, thì băng thậm chí sẽ làm vỡ nó).
Chúng ta hãy kết luận: khi nước chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, mật độ của nó giảm - xét cho cùng, thể tích của nó tăng lên trong khi khối lượng của nó không thay đổi. Ngược lại, nước, giống như hầu hết các chất, có mật độ tăng lên trong quá trình đông đặc.
Nhờ đặc tính này của nước mà băng bao phủ mặt hồ vào mùa đông không chìm xuống đáy và không chìm. Nếu nó không có đặc tính của một cái hồ, thì sự giãn nở dị thường của nước sẽ không gây ra hiện tượng rão; các hồ chứa sẽ đóng băng xuống đáy. Thực tế là nước đậm đặc nhất ở 4°C và nó giãn nở khi đông đặc dẫn đến sự phân bố nhiệt độ cuối cùng trong các vùng nước như trong Hình 2.
Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra: tại sao nhiệt độ của nước trong bể không được cân bằng? Tại sao các hồ chứa vẫn không nguội xuống đáy trong suốt mùa đông dài do tính dẫn nhiệt? Điều này được giải thích là do nước có độ dẫn nhiệt rất thấp, hoặc như người ta nói, độ dẫn nhiệt kém.
Một lớp nước dày 1 m và có diện tích 1 m2 với chênh lệch nhiệt độ bề mặt 1 ° C truyền 0,58 J năng lượng từ bề mặt nhiều hơn đến ít nóng hơn trong một giây. Giá trị này - 0,58 J/(m³ °C s) - được gọi là hệ số dẫn nhiệt của nước. Để so sánh, chúng tôi chỉ ra các giá trị của hệ số dẫn nhiệt của đồng - 395 J/(m³·°C·s) (gấp 660 lần so với nước) và độ dẫn nhiệt của khoáng chất - 204 J/(m³·°C·s).
Dẫn nhiệt và băng kém. Và nếu trên mặt băng cũng có tuyết mới tan và nó bao gồm các tinh thể băng nhỏ có không khí giữa chúng, thì đó là chất dẫn nhiệt rất kém, có hệ số dẫn nhiệt
37
0,023 J/(m³·°C·s), - khi đó một chiếc “áo khoác lông thú” như vậy sẽ bảo vệ các lớp nước thấp hơn trong các hồ chứa sâu khỏi sương giá một cách đáng tin cậy.
Hãy cùng thảo luận về một tính chất tuyệt vời khác của nước. Xem bảng nhiệt dung riêng của cơ thể (sách giáo khoa lớp 6-7). Nước có nhiệt dung riêng cao nhất! Để nung nóng 1 kg chất đó lên 1°C cần 4200 J năng lượng. Đối với dầu hỏa, trong cùng điều kiện, cần 2100 J và đối với các loại khác - 140 J. Điều này có nghĩa là ngay cả khi làm mát xuống một độ, một kg nước sẽ tỏa ra năng lượng cho các vật xung quanh nhiều gấp đôi so với dầu hỏa và gấp 30 lần so với thủy ngân. Vì vậy, khi tăng lượng nước Hy Lạp, việc đổ đầy nước thông thường vào đó không chỉ dễ dàng nhất mà còn có lợi nhất.
Tính lượng nhiệt sẽ tỏa ra khi một grkka có thể tích 2 lít nguội từ 100 °C đến 20 °C trong hai trường hợp: khi grkka chứa đầy nước và khi đổ đầy dầu thực vật (mật độ của nước là 1000 kg/m³, mật độ của dầu là 900 kg/m³, nhiệt dung riêng của chúng lần lượt là 4200 J/(kg °C) và 2000 J/(kg ° C).
Bây giờ chúng ta hãy xem hiện tượng này ở một quy mô khác. Vào mùa hè, khi thời tiết ấm áp, lượng nhiệt được hấp thụ từ không khí xung quanh bởi nước của các đại dương, biển, hồ lớn, được giảm thiểu đáng kể do sức nóng ở những vùng đất nằm gần các vùng nước lớn. Mùa đông đến, nước làm mát và giải phóng lượng nhiệt khổng lồ này vào không khí. Vì vậy, mùa đông ở những nơi như vậy trên Trái đất không khắc nghiệt như ở những nơi khác nằm trên cùng một gai.
Ví dụ, hãy tính toán xem Biển Đen tỏa ra bao nhiêu nhiệt khi mùa chuyển từ mùa hè sang mùa đông. Các quan sát cho thấy nhiệt độ trung bình của nước mặt Biển Đen vào mùa hè là khoảng 25 °C và vào mùa đông là khoảng 7 °C. Diện tích bề mặt của nó là khoảng 420.000 km2 và độ sâu trung bình của nó là khoảng 1200 m.
Lượng nước trên biển
Hãy tính khối lượng của nước, biết rằng mật độ của nước biển là 1030 kg/m³:
Nhiệt dung riêng của nước biển là 4000 J/(kg°C). Do đó, tổng lượng nhiệt mà biển toả ra khi nguội đi bằng:
Hãy tự tính xem cần đốt bao nhiêu than để thu được lượng nhiệt này.
Nước được sử dụng làm chất làm mát cho động cơ phân loại bên trong và lò phản ứng vì nó hấp thụ rất nhiều nhiệt khi đun nóng.
Nước hòa tan tốt nhiều chất nên có thể tạo ra cả vị mặn và vị ngọt. Nhiệt độ sôi của nước sao cho hầu hết các sản phẩm mà con người tiêu thụ đều có thể được nấu chín trong đó… Chúng tôi cũng khuyên bạn nên xem bảng nhiệt dung riêng bay hơi của các chất, đảm bảo rằng trong số tất cả các chất được liệt kê trong đó, nước có nhiệt dung riêng nhất và nghĩ xem điều này mang lại lợi ích gì (hoặc có thể là bất tiện?) cho một người.