Агрегатні стани і фазові переходи.

Залежність агрегатного стану води від тиску і температури зображена на діаграмі стану води, або фазовій діаграмі (рис.1.1). Крива ВВО називається кривою плавлення. При переході через неї зліва направо відбувається плавлення льоду, а зправа наліво – льодоутворення (кристалізація води). Крива ОК - крива пароутворення. При переході через неї зліва направо відбувається кипіння води, а справа наліво-конденсація водяної пари. АО - крива сублімації. При перетині її зліва направо відбувається випаровування льоду, а справа наліво - конденсація в тверду фазу (сублімація). Точка О називається потрійною точкою. В ній при тиску 610 Па і температурі 0,01 ⁰С (273,16 ⁰К) вода одночасно є у всіх трьох агрегатних станах.

Температура замерзання води Т_зам і температура кипіння води Т_кип залежить від тиску Р. В діапазоні зміни тиску від 610 до 1,013·10⁵ Па (чи 1 атм.) Т_зам трохи знижується (від 0,01 до 0 ⁰С), потім при рості тиску приблизно до 6·10⁷ Па (600 атм.) Т_зам падає до –5 ⁰С, а при збільшенні Р до 2,2·10⁸ Па (2 200 атм.) Т_зам зменшується до –22 ⁰С. При подальшому збільшенні тиску Т_зам починає швидко зростати. При дуже великому тиску утворюються особливі модифікації льоду, що відрізняються своїми властивостями від звичайного льоду.

Температура кипіння зі зменшенням тиску знижується. Тому на великих висотах в горах вода кипить при температурі нижчій, ніж 100 ⁰С. При рості тиску Т_кип зростає до т.зв. "критичної" точки К, коли при Р=2,2·10⁷ Па і Т = 374 ⁰С вода має одночасно властивості і рідини і газу.

На Т_зам води впливає її солоність S[‰]. Солоність – це відношення маси солі до маси розчину, виражене в промілле:

(1.1)

Збільшення солоності знижує Т_зам:

Т_зам = - 0,054 S [⁰С], де (1.2)

S – солоність води в ‰.

Густина води та її зміна в залежності від температури.

Густина ρ [кг/м³] - маса речовини в одиниці об’єму. Для всіх рідин, крім води, вона зростає при зниженні температури аж до точки замерзання. У прісної ж води при нормальному тиску ρ зростає зі зниженням температури лише до 3,98 ⁰С ^≈ 4 ⁰C, а при подальшому охолодженні густина зменшується аж до точки замерзання 0 ⁰С (табл.1.1).Отже температура 4 ⁰С є для прісної води температурою найбільшої густини (Т_нг). Густина льоду значно менша, ніж води в рідкому стані.

 

Таблиця 1.1

Густина води і льоду при різній температурі, кг/м³

 

Агрегатний стан	Температура води,^0С
-20
Вода	-	999,87	999,93	999,99		998,23	995,63
Лід		916,7	-	-	-	-	-

 

Рис. 1.1 Діаграма фазового стану води

Рис. 1.2. Залежність температури замерзання (1) та температури найбільшої густини (2) від солоності (графік Хелланд-Хансена).

 

Ця унікальна властивість води має надзвичайно велике значення для життя на Землі: водойми достатньої глибини взимку не промерзають до дна, бо охолоджена нижче 4 ⁰С вода, як менш важка, займає верхні шари водойми, на поверхні при мінусових температурах повітря вона може замерзнути, утворивши льодову кірку певної товщини. Але біля дна розташується найбільш важка вода при температурі 4 ⁰С і залишатиметься рідкою. Крім того лід плаває по поверхні води, і, як відносно поганий провідник тепла, перешкоджає значному зниженню температури води на глибині. Все це дозволяє перезимувати водним організмам.

Густина води збільшується з ростом її солоності. Одночасно збільшення солоності води веде до зниження температури найбільшої густини (при якій вода найважча) згідно з формулою:

Т_нг = 4 - 0,215 S [⁰C], де (1.3)

S - солоність води в ‰.

Залежність температури найбільшої густини (Т_нг) і температури замерзання (Т_зам) від солоності ілюструє графік Хеланд-Хансена (рис.1.2).

З нього видно, що унікальна властивість води (Т_нг > Т_зам ) проявляється лише при солоності, меншій за 24,7‰.

Теплові властивості води.

В порівнянні з іншими рідинами питома теплота плавлення льоду і питома теплота пароутворення води аномально високі.

Питома теплота плавлення льоду L_л =333 333 (Дж/кг). Стільки ж теплоти виділяється при замерзанні (кристалізації) води.

Питома теплота пароутворення L_пар залежить від температури:

L_пар = 2,5·10⁶ - 2,4·10³ T ⁰C (Дж/т) (1.4)

Для нагрівання води поза точками фазових переходів необхідно затратити велику кількість тепла, бо питома пеплоємність води (С_р) також "аномально" висока в порівнянні з теплоємністю інших рідин і твердих речовин: С_р =4190 (Дж/кг ⁰С).

Дуже високі питома теплота плавлення (замерзання) і випаровування (конденсації), а також велика теплоємність води мають величезний вплив на теплові процеси не тільки в водних об’єктах, але й на всій планеті.