Специфична топлина, топлина на изпарение и плътност на водата

Нека си представим, че е горещ ден. Току-що беше на слънце за известно време и се потиш доста, докато сядаш и хващаш чаша леденостудена вода. Леко усещаш и капките пот по ръцете си и кубчетата лед, плуващи отгоре в чашата ти с вода. Благодарение на усилената ти работа по изучаването на свойствата на водата, разпознаваш и потта по ръцете си, и плаващите кубчета лед в чашата като примери за удивителната способност на водата за образуване на водородни връзки между молекулите ѝ.

Как работи това? Водните молекули са много добри при образуването на водородни връзки, слаби връзки между частично положителни и частично отрицателни краища на молекулите. Водородните връзки обясняват и ефикасността на изпарителното охлаждане (затова потенето те охлажда) и на ниската плътност на леда (заради която ледът плава над водата).

Сега ще разгледаме по-задълбочено ролята на водородните връзки при температурните промени, замръзването и изпаряването на водата.

Водата има уникални химични характеристики във всички три агрегатни състояния – твърдо вещество, течност и газ – благодарение на способността на молекулите си да създават водородни връзки една с друга. Тъй като живите организми, от човешките създания до бактериите, имат високо съдържание на вода, разбирането на уникалните химични свойства на водата в трите ѝ състояния е ключово за биологията.

В течната вода водородните връзки постоянно се образуват и разкъсват, докато водните молекули се плъзгат една покрай друга. Разкъсването на тези връзки е причинено от енергията на движението (кинетичната енергия) на водните молекули, поради топлината, съдържаща се в системата.

Когато топлината бъде повишена (например докато водата се вари), по-високата кинетична енергия на водните молекули води до пълно разкъсване на водородните връзки и позволява на водните молекули да излязат във въздуха като газ. Наблюдаваме този газ като водна пара.

От друга страна, когато температурата падне и водата замръзне, водните молекули образуват кристална структура, поддържана от водородните връзки (тъй като има твърде малко топлинна енергия, че да раздели водородните връзки). Тази структура прави ледът по-малко плътен от течната вода.

По-ниската плътност на водата в твърдото ѝ агрегатно състояние се определя от начина, по който водородните връзки се ориентират, докато тя замръзва. По-точно в леда водните молекули се намират на по-големи разстояния помежду си, отколкото в течно състояние.

Това означава, че водата се разширява, докато замръзва. Може би ти е правило впечатление, че ако сложиш затворен стъклен съд, съдържащ нещо течно (супа, сода и т.н.) във фризера, той се чупи или експлодира, когато течността в него замръзне и се разшири.

При повечето други течности втвърдяването, което се случва, когато температурата падне и кинетичната (двигателна) енергия на молекулите намалее, позволява на молекулите да се скупчат по-нагъсто, отколкото в течната форма, поради което твърдото вещество има по-голяма плътност, отколкото течността. Водата е аномалия (тоест, чудато изключение) с по-ниската си плътност в твърдо състояние.

Понеже е с по-малка плътност, ледът плава по повърхността на течната вода, както виждаме при айсберга или при ледените кубчета в чаша студен чай. В езерата и язовирите слой лед се образува над течната вода, създавайки изолираща бариера, която защитава животните и растителния свят в езерото отдолу от замръзване.

Защо е вредно за живите организми да замръзнат? Можем да разберем това, като си припомним отново случая с бутилката сода, която се чупи във фризера. Когато една клетка замръзне, водното ѝ съдържание се разширява и мембраната ѝ (точно както бутилката сода) се разкъсва на парченца.

Нужна е много топлина, за да се повиши температурата на течната вода, понеже част от топлината трябва да бъде използвана за разкъсване на водородните връзки между молекулите. С други думи, водата има висок специфичен топлинен капацитет, което се определя като количеството топлина, нужна да се повиши температурата на един грам от дадено вещество с един градус по Целзий. Количеството топлина, което е нужно да се повиши температурата на 1 гр вода с 1 °C има свое собствено име, калория.

Поради високия си топлинен капацитет водата може да минимизира промените в температурата. Например специфичният топлинен капацитет на водата е около пет пъти по-голям, отколкото този на пясъка. Земята се охлажда по-бързо от морето, след като слънцето залезе, и бавно охлаждащата се вода може да освободи топлина към близката земя през нощта. Водата също се използва от топлокръвните животни, за да разпредели топлина в телата им: работи подобно на охлаждащата система на колата, придвижвайки топлината от топли места към хладни места, като помага на тялото да поддържа равномерна температура.

Точно както е нужна много енергия, за да се повиши температурата на течната вода, нужна е и необичайно много топлина, за да се изпари дадено количество вода, понеже водородните връзки трябва да бъдат разкъсани, за да могат молекулите да излетят като газ. Тоест водата има висока температура на изпарение, количеството енергия, необходима за промяна на агрегатното състояние на един грам течно вещество в газ при постоянна температура.

Топлината на изпарение на водата е около 540 кал/гр при 100 °C, точката на кипене на водата. Имай предвид, че някои молекули вода, които имат висока кинетична енергия, ще се отделят от повърхността на водата дори при по-ниски температури.

Докато водните молекули се изпаряват, повърхността, от която се изпаряват, се охлажда. Този процес се нарича изпарително охлаждане. Причината за това е, че молекулите с най-висока кинетична енергия биват изгубени чрез изпарение (виж видеото за изпарително охлаждане за повече информация.) В човешкия организъм и в други организми изпарението на потта, която е около 99% вода, охлажда тялото, и така се поддържа постоянна телесна температура.