Специфичен топлинен капацитет на водата

В химията съществува много ценна концепция, наречена специфичен топлинен капацитет. Специфичният топлинен капацитет е различен за всяко вещество. Всяко вещество има различен специфичен топлинен капацитет. Това е количеството топлина, количеството топлинна енергия, необходимо за затоплянето на един грам от дадено вещество с един градус по Целзий. Друга възможна дефиниция е: затоплянето на определено количество вещество с един градус по Целзий. Но аз предпочитам да съм по-конкретен. Един грам вещество, един градус по Целзий. Това ни казва колко енергия е нужно да вложим в нещо, за да го загреем. Например... например водата... Ако искам да повиша температурата ѝ с един градус по Целзий ще ми е необходимо определено количество топлина, което ще бъде различно, ако, например, трябва да нагрея пясък. Да кажем, че това е пясък. Това е пясък. Трудно ми е да избирам цветове. Това тук е пясък. Трябва да го нарисувам по-добре. Та това тук е пясък. Ако искам да го затопля с един градус по Целзий, ще ми трябва различно количество топлина. Оказва се, че всъщност ми трябва по-малко топлина. Трябва ми по-малко топлина, за да затопля пясъка с един градус, отколкото за да повиша температурата на водата, или на един грам вода с един градус по Целзий. Да кажем, че това е един грам вода. А това е един грам пясък. Ще ми трябва повече топлина тук за да загрея пясъка с един градус, отколкото ако искам да загрея водата. Това е така, защото водата има по-висок специфичен топлинен капацитет, относително по-висок специфичен топлинен капацитет. А пясъкът, поне в сравнение с водата, има по-нисък специфичен топлинен капацитет. Можем да разсъждаваме по това по два начина. Нека го напиша. По-нисък специфичен топлинен капацитет. Два начина да го опишем. За да повишим температурата на един грам от тези две вещества с един градус по Целзий, ще е нужна повече енергия за водата, в сравнение с тази, която е нужна на пясъка. Казано по друг начин – ако използваш еднакво количество енергия и за двете, ще повишиш температурата на пясъка повече, отколкото тази на водата. А специфичният топлинен капацитет на водата има специално име и това е име, което вероятно вече ти е познато. Специфичният топлинен капацитет на водата се нарича калория. Тази дума не ти е непозната. Може би се е случвало да искаш да намалиш калориите и затова да проверяваш опаковката на някоя храна. Има едно важно уточнение. Калориите, за които мислят хората, когато разглеждат опаковки на храна, или количеството калории в дадена храна, всъщност са килокалории. Например, ако някой ти даде купа сладолед – ще нарисувам една купа сладолед. Ако някой ти подаде купа сладолед, може да ти каже, че тя е 500 калории. Нека го запиша. Това е 500 калории. Ако го погледнем през призмата на специфичния топлинен капацитет, това всъщност са 500 килокалории. Има два начина, по които можем да разглеждаме тези 500 килокалории. Можем да кажем, че този сладолед има достатъчно енергия, за да затопли 500 килограма вода с един градус по Целзий. Можеш да го разглеждаш и по друг начин. Ако мислим от гледна точка на хората – ако разгледаме един среден възрастен, това са около 50 килограма, или 60-70 килограма, някъде там. Да кажем 50 килограма вода. Всъщност един възрастен мъж би могъл да съдържа 50 килограма вода, и, естествено, много други вещества, които формират теглото. Говоря приблизително. 50 килограма вода. В предишния случай повишихме температурата с един градус, но сега можем да я повишим с 10 градуса по Целзий. И всъщност това става в телата ни. Нашата телесна температура зависи отчасти от енергията от храната: част от нея се изразходва за движение или за различните функции на мускулите и мозъка, но друга част просто произвежда топлина. Понякога топлината е вторичен резултат от движението. А понякога тялото произвежда топлина заради самата топлина. Така че тези 500 калории, които виждаш на някоя опаковка, всъщност са 500 килокалории, и това е достатъчно количество енергия, за да затопли 500 000 грама вода (помни - 500 килограма са 500 000 грама вода) с един градус по Целзий, или 50 000 грама вода с 10 градуса по Целзий. Но както и да е. Специфичният топлинен капацитет на водата се нарича калория. Удобно е да можем да я свържем с това, което ядем и пием. Да знаем какво означава калория и какво означава килокалория. Но това, че водата има относително по-висок специфичен топлинен капацитет в сравнение със земята, например, има огромни последствия върху нашия климат. Това е една от причините да е приятно да живееш край брега. Нека нарисувам бреговата линия. Може би трябва да а нарисувам как изглежда от поглед отгоре. Ще я нарисувам отгоре. Това е бреговата линия. Това е земя. Да кажем, че е направен от пясък, просто за пример. Това е вода. Нека първо разгледаме какво се случва през лятото. Да разгледаме лятото, когато е горещо. Представи си един слънчев ден. През лятото е горещо. Ето тук ще сложа слънце. То излъчва енергия и затопля нещата, които огрява. Но поне на бреговата линия температурата на въздуха е приблизително равна и над двете. И макар да има леки вариации, двете получават почти еднакво количество слънчева топлина. Но тъй като водата има по-висок специфичен топлинен капацитет, слънцето ще затопли водата по-слабо. Така че водата ще се затопли по-малко. Нека го напиша тук. Това ще е по-малко горещо. А земята ще се затопли повече. Затова когато си на брега, въздухът също се повлиява от това, което докосва. Той ще докосне тази по-малко гореща вода и затова въздухът, особено ако излиза от океана, ще се движи в тази посока. И ако се намираш на брега, сигурно ще усетиш по-хладък повей, отколкото ако си по-навътре на сушата. Ако си по-навътре в сушата, въздухът ще е много по-горещ. Въздухът във вътрешността е по-горещ. А на крайбрежието е по-малко горещ, защото се охлажда от водата до някаква степен. Ефектът ще е обратен през най-студеното време от годината. Да се замислим за нощите през зимата. Нека отново го нарисувам. Да си представим една зимна нощ. Всичко се охлажда. Сега и земята, и водата ще излъчват топлина. И водата ще излъчва топлина, няма друг източник на топлина, тя излъчва топлина във въздуха. Но ако излъчват приблизително еднакво количество топлина, температурата на земята ще се понижи доста повече. Тук ще стане по-студено. Земята ще стане по-студена, а водата ще бъде по-малко студена. Защото правилото работи и в двете посоки. Когато енергията отива към водата, температурата се променя по-малко. Затова водата може да излъчва същото количество топлина като пясъка, но да понижи по-малко своята температура. Затова край водата, в най-студените месеци на годината, въздухът над водата, който я докосва, ще бъде по-малко студен от въздухът над земята, защото водата е по-малко студена от сушата. Затова е приятно да живееш край водата. В крайбрежните зони ще е по-малко студено, отколкото по-навътре в сушата. Този феномен може да се срещне навсякъде, където има вода. Но е много ясно изразен там, където живея. Живея в залива на Сан Франциско. Тихият океан буквално е до мен. Нека го нарисувам. Тихият океан е тук. Намира се тук. Ето го и Санфранциския залив, той изглежда донякъде така. Мостът Голдън Гейт Бридж е тук, ако някой се чуди. Това тук е Сан Франциско. Аз живея ето тук. Ако се разхождаш край брега в средата на някой летен ден, може да е с 10 градуса, дори 20 градуса по-хладно, отколкото ако си навътре в сушата. Това е много значимо въздействие върху климатичните условия. Може би сега се чудиш: "Защо водата има толкова висок специфичен топлинен капацитет?" Всичко е заради нашите добри стари приятели водородните връзки. Защото ако говорим за твърдо вещество – ще нарисувам произволно твърдо вещество, ето го тук, не знам точно какво е, да кажем, че има някаква структура, която изглежда така. Когато получава енергия, когато получава топлинна енергия, топлината просто повишава кинетичната енергия на градивните му частици. Това ги кара да вибрират повече. Кара ги да подскачат повече на едно място. Точно това е температурата – средната кинетична енергия. Когато докоснеш нещо и усетиш топлината му, това се дължи на вибриращите частици, които трептят супер, супер бързо. Това ще накара тези неща да трептят повече, основно на едно място, особено ако говорим за нещо твърдо. В случая с водата: когато отдадеш повече енергия, това ще накара водните молекули да се движат по-бързо, да трептят повече, да имат по-висока кинетична енергия. Но за да имат по-висока кинетична енергия, те ще трябва да преодолеят това свързване и да разкъсат водородните връзки. Направо можем да си представим опъването на водородна връзка. Представи си, че ако молекулата иска да се движи в тази посока, тя трябва да се освободи от водородната връзка. Тогава ще формира нова водородна връзка, която също трябва да скъса. Ще ѝ трябва енергия, за да продължи да къса тези водородни връзки и да ги преодолява. Ще го нарека триене на водородни връзки, защото всяко триене всъщност е някаква сила, осъществяваща се на микроскопично ниво. Но водата трябва да преодолее това. И част от топлинната енергия се използва точно за преодоляването на връзките, а не за повишаване на кинетичната енергия на отделните молекули, не за да ги накара да вибрират или каквото там правят. Затова водата е способна да съхрани повече топлина и затова има по-висок специфичен топлинен капацитет.