Вода
Б. Н. Суслов


Научно-популярная библиотека #57






В книге рассказывается о некоторых любопытных физических свойствах обычной воды.






Б. Н. Суслов




Вода

















Введение


В истории нашей планеты вода имеет исключительно важное значение. Пожалуй, никакое другое вещество не может сравниться с водой по своему влиянию на ход тех величайших изменений, которые претерпела Земля за многие сотни миллионов лет своего существования.

Не менее важна роль воды и для жизни растительного и животного мира Земли. Вода может существовать без всякого участия жизни, но жизнь без воды невозможна. Уже один этот факт дал право нашим предкам утверждать, что вода появилась на Земле раньше, чем зародилась жизнь.

Вода — одно из немногих веществ, которое может в земных условиях находиться во всех трёх физических состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Благодаря повседневному обращению с водой мы так привыкли к ней и к её разнообразным проявлениям в природе, что часто не замечаем целого ряда её отличительных свойств. А ведь именно этим свойствам мы обязаны тем, что наши озёра и реки не промерзают зимой до дна, что сильные весенние паводки сравнительно редки, что, замерзая, вода может производить большие разрушения и т. д. Многие привычные нам явления природы связаны именно с особенностями воды.

Велика роль воды и в технике. Невозможно представить такую отрасль промышленности, где бы в том или другом виде не применялась вода. Вода служит источником энергии. Вода переносит тепло. Вода используется как прекрасный растворитель для многих веществ. Вода является той средой, в которой протекает огромное количество различных химических процессов.

Об этом и будет здесь рассказано.




1. Сколько воды на земле?


Взгляните на глобус. Сразу бросается в глаза, что большая площадь его окрашена в голубовато-зелёный цвет. Это — моря и океаны земного шара. Только 29 процентов, то есть меньше трети его общей площади, занимают материки и острова; остальные две трети поверхности Земли, точнее 71 процент, покрывают океаны, моря и озёра.

Общее количество воды, наполняющей океаны и моря Земли, огромно. Если бы можно было собрать эту воду в одну каплю, то диаметр этой «капли» равнялся бы почти полутора тысячам километров.

Самый глубокий океан Земли — Тихий; его наибольшая глубина равна приблизительно 10, 8 километра. Средняя глубина океанов 3800 метров. Нетрудно подсчитать, что если бы вода была распределена по всей поверхности Земли равномерно, то весь земной шар был бы покрыт водным слоем толщиной около 2700 метров.

Примерно одну пятидесятую часть суши (около 27 миллионов квадратных километров площади) занимают озёра с пресными и солёными водами. Во всех озёрах нашей планеты воды в 5 тысяч раз меньше, чем в океанах и морях. По количеству озёр на первом месте в мире стоит Советский Союз, — озёр у нас насчитываются тысячи. Среди них самое большое солёное озеро — Каспийское; его площадь больше 400 тысяч квадратных километров.

Из озёр с пресными водами самые большие: Ладожское, Онежское, Байкал, Балхаш, Иссык-Куль; взятые вместе они занимают площадь более полумиллиона квадратных километров.

Есть на земном шаре места с огромным количеством пресных озёр, например север Европейской части СССР, Финляндия, Скандинавия. Более половины всей площади Норвегии занято озёрами.

Источниками озёрных вод являются главным образом атмосферные осадки, непосредственно падающие в озёра или приносимые в них реками и ручьями. Особенно чисты воды горных озёр; они питаются водой, которая образуется при таянии снегов и ледников.

Воды в реках Земли примерно в три раза больше, чем в озёрах. По числу и протяжённости рек Советский Союз также занимает первое место в мире.

Наша Волга — крупнейшая река Европы. Около 1080 рек, речек, протоков и озёр питают её бассейн (на рисунке 1 многих из них нет). Почти 250 кубических километров воды приносит Волга ежегодно в Каспийское море. Длина Волги равна 3694 километрам.










Рис. 1. Волга с притоками.




Ещё более мощные реки несут свои воды по Сибири в Северный Ледовитый океан. Это величайшие реки земного шара: Обь (длина её около 5200 километров), Енисей (4010 километров) и Лена (5014 километров). Общая протяжённость рек нашей Родины исчисляется миллионами километров.

Вода находится не только на поверхности нашей планеты. Огромные массы воды странствуют в атмосфере в виде пара, снежинок или водяных капель.

В нижнем слое атмосферы — тропосфере (до высоты 10–15 километров) вода есть всегда. В более высоких слоях воды уже нет.

Много воды заключено и в недрах Земли. Это так называемые подземные воды.

По количеству подземные воды стоят на втором месте, вслед за водами океанов и морей. Выдающийся русский учёный академик В. И. Вернадский писал: «Мы не знаем в природе ни одного твёрдого тела, которое бы в своём составе не заключало воды». И это действительно так.

Почвенный слой, покрывающий почти всю поверхность суши, в той или иной степени пропитан водой. Содержание воды в почве может колебаться от одного до 70 и больше процентов, но чаще всего встречаются почвы, увлажнённые до 15–25 процентов. Это означает, что по весу примерно одну пятую часть почвы составляет вода.

Вода собирается в пустотах и в мельчайших, невидимых глазом трещинах горных пород. В некоторых породах эти трещины могут составлять половину общего объёма породы, а в других, как например в граните, — всего лишь пол процента. Кроме того вода связана со многими минералами в прочные соединения и сохраняется в них в течение тысячелетий.

Вода проникает и в глубокие слои земной коры. Вода может присутствовать всюду, где есть такие условия, — температура и давление, при которых возможно существование воды. Благодаря огромным давлениям на больших глубинах вода может оставаться жидкой и при высоких температурах — до трёхсот с лишним градусов, а в растворах, которые она образует при соприкосновении с различными породами, до 400 градусов и выше. Нижней границей существования подземных вод считается приблизительно глубина в 13–14 километров. В ещё более глубоких слоях вода может находиться в виде паров. На глубинах 55–60 километров, где давление достигает 30 тысяч атмосфер, пары воды уже не существуют. Здесь вода находится в каком-то особом состоянии, о котором у нас нет пока точных представлений.

Таким образом в слое на 10–15 километров выше и километров на 50 ниже поверхности Земли вода существует во всех физических состояниях: твёрдом, жидком и газообразном.

Вода морей, атмосферная вода и подземная не живут обособленной друг от друга жизнью. В природе беспрерывно совершаются процессы, которые сопровождаются переносом огромных количеств воды из атмосферы на поверхность и в недра Земли, и обратно. С замечательным круговоротом, который совершает вода в природе, мы и познакомимся в следующем разделе.




2. Круговорот воды в природе


Вода — очень подвижная жидкость. Кроме того, в земных условиях она легко переходит из одного состояния в другое: испаряется, замерзает, плавится. Именно поэтому вода — вечный путешественник.

С поверхности рек, озёр, морей в любое время года в воздух непрерывно поднимаются невидимые водяные пары. Подхваченные ветром, они рассеиваются в безбрежном воздушном океане.

Чем выше температура воздуха, тем больше в нём может быть воды в виде пара. Однако количество водяных паров в воздухе не может расти безгранично: при любой температуре всегда наступает такой момент, когда воздух насыщается водяными парами. При 20 градусах мороза, например, в одном кубическом метре насыщенного водяными парами воздуха содержится 1 грамм паров, при нуле градусов — 5 граммов, а при 20 градусах тепла — 17 граммов.

Если в насыщенный воздух продолжают поступать водяные пары, то начинается сгущение или конденсация пара в кристаллики или в капельки воды. То же самое произойдёт, если насыщенный при определённой температуре водяными парами воздух станет остывать, — пар сгущается, и образуется облако.

Капельки воды, образующие облака, очень малы — диаметр их не превышает тысячной доли сантиметра (из одного куб. см воды их могут получиться миллиарды). Такие маленькие капельки легко удерживаются в воздухе. Этим и объясняется, почему облако, несущее иногда тонны воды, может долго находиться в атмосфере.

Но вот облако поднимается на такую высоту, что капли, находящиеся в его вершине, замерзают. Образовавшиеся кристаллики льда легко обволакиваются другими капельками и становятся тяжёлыми. Они уже не могут держаться в воздухе и быстро падают вниз. Если на пути встречаются тёплые слои воздуха, кристаллики тают, и образуются дождевые капли. Если же температура воздуха низка, идёт снег[1 - Подробнее об атмосферных осадках см. брошюру серии "Научно-популярная библиотека": Б. Л. Дзердзеевский "Воздушный океан".]).

Выпавший зимой снег в массе своей лежит до весны, пока яркие солнечные лучи не превратят его в шумные, быстро бегущие ручьи. Тысячи ручьёв, собираясь вместе, бегут к реке. Начинается весенний паводок. Бывают годы, когда снег стаивает в несколько дней. Тогда особенно сильно разливаются реки. Маленькие, часто пересыхающие в сухое летнее время речушки превращаются в бурные, грозные по своей силе потоки. А большие реки, выходя из берегов, разливаются на десятки километров.

Не вся вода, выпавшая на землю в виде осадков, уносится реками в моря. Часть её снова испаряется, а часть просачивается сквозь почву. Достигая водонепроницаемого слоя (например, слоя глины, гранита, мрамора), она течёт по его скату (рис. 2). Некоторая часть подземных вод снова быстро находит выход к поверхности земли; тогда появляются холодные ключи. Их воды, вливаясь в ручьи и реки, заново начинают свой путь по земле, а испаряясь — в атмосфере. Другая же часть просочившихся сквозь почву вод проникает по трещинам пород всё глубже и глубже в недра земли. Достигнув слоев с высокой температурой, вода превращается в пар; пар поднимается вверх, снова сгущается в воду, чтобы опять начать свой подземный круговорот, или же выходит на поверхность в виде горячих источников.










Рис. 2. Достигая слоя глины, вода течёт по его скату.




Проследить весь путь, совершаемый водой в природе, трудно, во-первых, из-за его чрезвычайной сложности, а во-вторых, благодаря многообразию тех условий, в которых может находиться в природе вода. Если бы можно было последовать за частицей воды всюду, где она только бывает, то мы совершили бы одну из самых увлекательных экскурсий, какие только можно себе представить. И, выпивая стакан воды, мы с полным основанием можем думать, что эта вода в своё время могла блестеть в лучах зари на вершине Эльбруса, мчаться в струе горной речки, качаться в волне Чёрного моря, сверкать в радуге над Москвой, носиться с вьюгой над ледяными просторами Арктики или быть жадно впитанной из почвы корнями сибирской сосны.

Количество воды, участвующей в круговороте, общий контур которого мы только что наметили, поистине грандиозно. Достаточно сказать, что за один год в воздух поднимается около 400 тысяч кубических километров воды в виде пара. Мы уже знаем, что площадь суши почти в три раза меньше площади океана. Казалось бы, что и испарение воды с суши должно быть в несколько раз меньше, чем с поверхности водоёмов. Но если учесть, что вода испаряется и растительным покровом и что общая поверхность листьев в десятки раз превосходит площадь занимаемой растениями земли, то как будто очевидно, что суша должна испарять воды не меньше, чем водоёмы. В действительности же испарение с суши едва составляет одну пятую часть всей поступающей в атмосферу воды. Объясняется это тем, что испарение в водных бассейнах происходит не со спокойной, ровной поверхности; оно ускорено действием ветров, вызывающих образование волн и брызг.

Однако не вся вода одинаково интенсивно участвует в круговороте. Нижние холодные слои воды морей и океанов, представляющие собой спокойную массу, не принимают почти никакого участия в круговороте воды. На многие тысячелетия остаётся неподвижной и та часть воды, которая при формировании земной коры была включена как химическая составная часть в различные минералы или заполнила пустоты в горных породах. Эта вода освобождается лишь постепенно, благодаря геологическим изменениям и деятельности самого человека.

Мы познакомились с водой нашей планеты и проследили за её движением в природе. Теперь посмотрим, что представляет собой вода.




3. Молекула воды


В жизни человека, как и в жизни всякого другого существа, вода играет громадную роль. Вода нужна для питья и для приготовления пищи, вода нужна для мытья. Давно человек понял и то, что вода необходима для его полей. Поэтому нет ничего удивительного, что ещё древние народы, жившие тысячелетия до нас, смотрели на воду как на особое вещество, первооснову всего существующего.

«Вода как жидкое, подвижное, всепроникающее, явилась началом всего» — учил около двух с половиной тысяч лет назад «греческий мудрец Фалес Милетский. Лет двести спустя крупнейший философ древнего мира Аристотель насчитывал уже несколько таких первооснов, „основных элементов“ мира, но среди них была и вода.

В высказываниях древних греков, какими бы эти высказывания ни казались нам сейчас по-детски наивными, уже отражалось глубокое понимание значения воды во всех явлениях природы и в жизни человека.

Прошло около 20 веков. Само понятие „элемент“ существенно изменилось. Химическим элементом стали считать простое вещество, которое уже не может быть разложено далее на более простые вещества. Число элементов всё увеличивалось и увеличивалось. В списке этих элементов опять значилась вода.

И этому были причины. Ведь учёные того времени, наблюдая различные явления, в которых участвует вода, никогда не замечали, чтобы она изменялась химически. На глазах их она затвердевала в лёд, но лёд при таянии давал ту же воду. Вода нагревалась до кипения и испарялась, но, охлаждаясь, пары снова собирались в капли воды. Вода как вещество оставалась во всех процессах „самой собой“ и её считали неразложимым, простым веществом.

Только в конце восемнадцатого столетия было сделано важное открытие, что вода есть сложное вещество: вода была получена искусственным путём, при сжигании газа водорода в кислороде. Этим было доказано, что вода состоит из водорода и кислорода.

Приблизительно в это же время сложный состав воды удалось доказать и обратным путём — разложением воды на составные части. Это сделал французский учёный Лавуазье. Через раскалённый ружейный ствол он пропускал пары воды. От действия высокой температуры вода разлагалась. Кислород соединялся с железом, и на внутренней поверхности ствола появлялась окалина (соединение железа с кислородом), а из ствола выходил газ водород.

А несколькими годами позже вода впервые была разложена на её составные части электрическим током. Этим путём было точно установлено, что в воде по весу находится 11,11 процента водорода и 88,89 процента кислорода, причём водорода выделяется из воды по объёму в два раза больше, чем кислорода.

Если оба эти выделившиеся газа смешать, то при комнатной температуре эта смесь может оставаться без изменения очень долго. Чтобы только одна шестая часть этой смеси превратилась в воду, нам пришлось бы ждать 54 миллиарда лет. Но стоит только поднести к этой смеси горящую спичку или пропустить через неё электрическую искру, как между кислородом и водородом моментально произойдёт химическая реакция: водород сгорит в кислороде, и в результате получится вода. Такой опыт надо проводить с большой осторожностью, так как горение всегда сопровождается взрывом большой силы. Поэтому смесь из двух объёмов водорода и одного объёма кислорода и названа гремучей смесью.

Чтобы вызвать реакцию между кислородом и водородом, вовсе не обязательно нагревать всю смесь. Достаточно нагреть самый незначительный её объём. В этом объёме начнётся процесс горения водорода — соединения его с кислородом. При этом выделяется очень много тепла (десять граммов гремучей смеси при горении дают такое количество тепла, которого достаточно, чтобы вскипятить почти пол-литра воды). Выделяющееся тепло передаётся соседним участкам смеси, и процесс горения с чрезвычайной быстротой распространяется по всему объёму.

Температура в пламени гремучего газа превышает 3000 градусов. Поэтому гремучий газ и применяют для автогенной сварки.

Итак, вода — это сложное вещество, состоящее из кислорода и водорода. Как же построена молекула воды? Как располагаются в ней атомы кислорода и водорода?

Современная наука располагает очень точными методами исследования, которые позволяют проникнуть в строение вещества так глубоко, что уже теперь с полной уверенностью можно говорить не только о том, из каких атомов составлены молекулы того или другого вещества, но и о том, как располагаются атомы в молекулах. Каждая молекула воды состоит из трёх атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода. Все три атома расположены в молекуле таким образом, что если мысленно соединить их линиями, то образуется равнобедренный треугольник, то есть треугольник, у которого две стороны равны (рис. 3). В вершине находится атом кислорода, а в двух углах при основании — по атому водорода. Расстояния между атомом кислорода и водородными атомами одинаковы и равны 97 десятимиллиардным долям сантиметра. Расстояние между атомами водорода равно 154 десятимиллиардным долям сантиметра, а угол при вершине, в которой находится атом кислорода, составляет около 105 градусов. Если размер молекулы увеличить в десять миллиардов раз, этот треугольник поместился бы на столе среднего размера.










Рис. 3. Расположение атомов в молекуле воды.




Читатель может спросить: почему атомы в молекуле воды расположены в виде треугольника, а не по прямой линии — в середине атом кислорода, а по краям атомы водорода?

Объяснить это можно так. Всякое тело в природе стремится занять наиболее устойчивое положение. Мяч, брошенный на гладкую крышу, не останется лежать на её покатой поверхности и под действием силы тяжести обязательно скатится вниз. Если мы привяжем к нитке какой-нибудь грузик и будем держать нитку за свободный конец, грузик натянет нить и расположится точно по отвесной линии. Отведём грузик немного в сторону и отпустим, — грузик не останется в новом неустойчивом состоянии и под действием силы тяжести быстро вернётся к своему первоначальному положению. Так и в молекуле воды. Атомы соединены в ней друг с другом силами, которые называют силами химического сродства. Величина и направление действия этих сил таковы, что молекула воды является устойчивой именно тогда, когда атомы образуют треугольник. Всякая другая „постройка“ из атомов оказывается менее устойчивой. И если по каким-либо причинам расположение „атомов“ изменится, то по устранении этой причины атомы вновь образуют такой же треугольник.

Нужно сказать, что силы, удерживающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики. Необходима очень большая энергия, чтобы связь между атомами „разорвалась“. Мы можем нагреть воду до 1400 градусов, и из миллиона молекул воды при этой температуре только около ста молекул окажутся разложенными на водород и кислород. Даже при 3092 градусах разрушается только 13 процентов всех молекул воды.

Любая вода, откуда бы она ни была взята, — из Северного Ледовитого океана, из глубокой шахты Донбасса, была заключена в снежинке или сверкала ранним утром в капельке росы на цветке, — любая вода состоят из одинаково построенных молекул. Однако взаимное расположение отдельных молекул друг относительно друга в жидкой воде, снежинке или в паре из парового котла оказывается неодинаковым.

Пары воды, нагретые градусов до трёхсот, при атмосферном давлении подобны обычным газам: в них расстояния между молекулами достаточно велики, так что каждая отдельная молекула может существовать более или менее самостоятельно, не испытывая существенного взаимодействия со стороны своих соседей, за исключением, конечно, тех случаев, когда молекулы в результате беспорядочного теплового движения сталкиваются друг с другом.

В снежинке или кусочке льда молекулы сближены и закреплены в определённых местах кристаллической решётки; движения молекул в большинстве своём ограничиваются колебанием около некоторых средних положений.

А как располагаются молекулы в жидкой воде?

В науке до сих пор ещё нет строгой, твёрдо установленной теории, касающейся строения жидкостей, в частности воды. Предполагается, что жидкая вода по своему строению представляет нечто среднее между кристаллами льда и паром. Изучение строения воды с помощью инфракрасных и рентгеновых лучей дало возможность считать, что при температурах, близких к точке замерзания, молекулы жидкой воды собираются в небольшие группы и „упаковываются“ в пространство приблизительно так, как в кристаллах, а при температурах, близких к точке кипения воды, при нормальном давлении, они располагаются более свободно, беспорядочно. Однако „каркас“, составленный в жидкой воде из отдельных молекул, должен быть очень гибким. Иначе трудно было бы объяснить подвижность воды, способность её быть „рабочим телом“, приводящим в движение тяжёлое колесо турбины, и переносчиком различных питательных веществ по тончайшим сосудам живых организмов.

По-видимому, и в водяном паре при невысоких температурах часть молекул воды объединена или, как говорят, ассоциирована.

Вода — самая распространённая в природе жидкость. Мы так привыкли к воде, к её разнообразным проявлениям, что она нам кажется самой обыкновенной жидкостью. Многие свойства воды положены в основу нашей измерительной системы. Температуру таяния льда мы считаем за нуль градусов, а температуру кипения за сто градусов (по принятой теперь почти всюду шкале Цельсия). Массу воды в объёме одного кубического сантиметра мы принимаем за меру массы — один грамм. Количество тепла, которое поглощает один грамм воды при нагревании на один градус, мы называем единицей теплоты — калорией. Многие измерительные приборы физиков и химиков градуируются по воде, и величины, измеренные для других веществ, обычно сравниваются с числами, полученными для воды. Но если мы внимательно присмотримся к поведению воды в различных условиях и сравним его с поведением большинства других жидкостей, то обнаружим, что наша „обыкновенная“ жидкость ведёт себя очень странно, если этими словами можно выразить своеобразный характер воды, резко отличающий её от всех других жидкостей.

Теперь мы и расскажем о некоторых самых важных и интересных свойствах воды и её отступлениях от общих „правил“ поведения жидкостей.




4. Как замерзает пруд


Глубокая осень. Дни становятся всё короче и короче. Солнце выглянет на минуту из-за тяжёлых туч, скользнёт по земле своим косым лучом и снова скроется. Холодный ветер свободно гуляет по опустевшим полям и обнажённому лесу, выискивая где-нибудь ещё уцелевший цветок или прижавшийся к ветке лист, чтобы сорвать его, высоко поднять и потом бросить в ров, канаву или борозду. По утрам лужи уже покрываются хрустящими льдинками. Только глубокий пруд все ещё не хочет замёрзнуть, и ветер по-прежнему рябит его серую гладь. Но вот уже замелькали пушистые снежинки. Они подолгу крутятся в воздухе, как бы не решаясь упасть на холодную неприветливую землю. Идёт зима.

Тонкая корка льда, образовавшегося сначала у берегов пруда, ползёт на середину к более глубоким местам, и вскоре вся поверхность покрывается чистым прозрачным стеклом льда. Ударили морозы, и лёд стал толстым, чуть не в метр. Однако до дна ещё далеко. Подо льдом даже в сильные морозы сохраняется вода. Почему же глубокий пруд не промерзает до дна? Обитатели водоёмов должны быть благодарны за это одной из особенностей воды. В чём же заключается эта особенность?

Известно, что кузнец сначала нагревает железную шину, а затем надевает её на деревянный обод колеса. Охладившись, шина сделается короче и плотно обожмёт обод. Рельсы никогда не укладываются плотно друг к другу, иначе, нагревшись на солнце, они обязательно изогнутся. Если налить полную бутылку масла и поставить её в тёплую воду, то масло станет переливаться через край.

Из этих примеров ясно, что при нагревании тела расширяются; при охлаждении они сжимаются. Это справедливо почти для всех тел, но для воды этого нельзя утверждать безоговорочно. В отличие от других тел вода при нагревании ведёт себя по-особому. Если при нагревании тело расширяется, значит, оно становится менее плотным, — ведь вещества в этом теле остаётся столько же, а объём его увеличивается. При нагревании жидкостей в прозрачных сосудах можно наблюдать, как более тёплые и потому менее плотные слои поднимаются со дна вверх, а холодные опускаются вниз. На этом основано, между прочим, устройство водяного отопления с естественной циркуляцией воды. Остывая в радиаторах, вода становится плотнее, опускается вниз и поступает в котёл, вытесняя вверх уже нагретую там и потому менее плотную воду.

Подобное движение происходит и в пруду. Отдавая своё тепло холодному воздуху, вода охлаждается с поверхности пруда и, как более плотная, стремится опуститься на дно, вытесняя собой нижние тёплые, менее плотные слои. Однако такое движение будет совершаться только до тех пор, пока вся вода не остынет до плюс 4 градусов. Собравшаяся на дне при температуре 4 градуса вода уже не будет подниматься вверх, хотя бы поверхностные её слои и имели температуру более низкую. Почему?

Вода при 4 градусах имеет самую большую плотность. При всех других температурах — выше или ниже 4 градусов — вода оказывается менее плотной, чем при этой температуре.

В этом и заключается одно из отступлений воды от закономерностей, общих для других жидкостей, одна из её аномалий (аномалия — это отклонение от нормы). Плотность всех других жидкостей, как правило, начиная от температуры плавления, при нагревании уменьшается.

Что же произойдёт дальше при остывании пруда? Верхние слои воды становятся всё менее и менее плотными. Поэтому они остаются на поверхности и при нуле градусов превращаются в лёд. По мере дальнейшего остывания корка льда растёт, а под ним по-прежнему находится жидкая вода с температурой, лежащей между нулём и 4 градусами.

Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому, что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет температуру нуль градусов. При этой температуре одновременно существуют и лёд и вода. Для того чтобы лёд превратился в воду, необходимо, как увидим дальше, значительное количество тепла. А этого тепла нет. Лёгкий слой воды с температурой в нуль градусов отделяет ото льда более глубокие слои тёплой воды.

Но представьте теперь себе, что вода ведёт себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озёра, а может быть и северные моря, в течение зимы промёрзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.

Правда, если зима очень продолжительна и сурова, то многие не слишком глубокие водоёмы могут промёрзнуть до дна. Но в наших широтах это наблюдается крайне редко. Промерзанию воды до дна препятствует и сам лёд: он плохо проводит тепло и защищает собой нижние слои воды от охлаждения.




5. Почему лёд не тонет в воде?


В том, что лёд плавает на воде, никто не сомневается; каждый это видел сотни раз и на пруду, и на реке.

Но многие ли задумывались над таким вопросом: все ли твёрдые вещества ведут себя так же, как лёд, то есть плавают в жидкостях, образовавшихся при их плавлении?

Расплавьте в банке парафин или воск и бросьте в эту жидкость ещё кусочек того же твёрдого вещества, он тотчас же потонет. То же произойдёт и со свинцом и с оловом, и со многими другими веществами. Оказывается, как правило, твёрдые тела всегда тонут в жидкостях, которые образуются при их плавлении.

Обращаясь чаще всего с водой, мы так привыкли к обратному явлению, что нередко забываем это характерное для всех других веществ свойство. Надо помнить, что вода в этом отношении представляет редкое исключение. Только металл висмут и чугун ведут себя так же, как и вода.

Если бы лёд был тяжелее воды и не удерживался бы на её поверхности, а тонул, то даже в глубоких водоёмах вода замерзала бы зимой целиком. В самом: деле, падающий на дно пруда лёд вытеснял бы нижние слои воды вверх, и это происходило бы до тех пор, пока вся вода не превратилась в лёд.

Однако при замерзании воды происходит совсем обратная картина. В тот момент, когда вода превращается в лёд, объём её внезапно увеличивается примерно на 10 процентов, и лёд оказывается менее плотным, чем вода. Поэтому-то он и плавает в воде, как плавает любое тело в жидкости, имеющей большую плотность: железный гвоздь в ртути, пробка в масле и т. д. Если считать плотность воды равной единице, то плотность льда будет составлять только 0,91. Эта цифра позволяет нам узнать толщину плывущей по воде льдины. Если высота льдины над водой равна, например, 2 сантиметрам, то мы можем заключить, что подводный слой льдины в 9 раз толще, то есть равен 18 сантиметрам, а вся льдина имеет 20 сантиметров толщины.

В морях и океанах встречаются иногда огромные ледяные горы — айсберги (рис. 4). Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём — нескольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятаны под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно вовремя не заметит движущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.










Рис. 4. Девять десятых массы айсберга находятся под водой.




Внезапное увеличение объёма при переходе жидкой коды в лёд представляет важную особенность воды. С этой особенностью приходится часто считаться в практической жизни. Если оставить бочку с водой на морозе, то вода, замёрзнув, разорвёт бочку. По этой же причине нельзя оставлять воду в радиаторе автомобиля, стоящего в холодном гараже. В сильные морозы нужно опасаться малейшего перерыва в подаче тёплой воды по трубам водяного отопления: вода, остановившаяся в наружной трубе, может быстро замёрзнуть, и тогда труба лопнет.

Замерзая в трещинах скал, вода нередко является причиной горных обвалов.

Рассмотрим теперь один опыт, который имеет прямое отношение к расширению воды при нагревании. Постановка этого опыта требует специального оборудования, и вряд ли кто из читателей может его воспроизвести в домашней обстановке. Да это и не является необходимостью; опыт легко себе представить, а его результаты мы постараемся подтвердить на хорошо знакомых для каждого примерах.

Возьмём очень крепкий металлический, лучше всего стальной цилиндр (рис. 5), насыплем на дно его немного дроби, наполним водой, укрепим крышку болтами и станем поворачивать винт. Так как вода сжимается очень мало, то долго крутить винт не придётся. Уже после нескольких оборотов давление внутри цилиндра поднимается до сотен атмосфер. Если теперь цилиндр охладить даже на 2–3 градуса ниже нуля, то вода в нём не замёрзнет. Но как в этом убедиться? Если открыть цилиндр, то при такой температуре и атмосферном давлении вода моментально превратится в лёд, и мы не будем знать, была ли она жидкой или твёрдой, когда находилась под давлением. Здесь нам помогут насыпанные дробинки. Когда цилиндр остужен, перевернём его вверх дном. Если вода замёрзла, дробь будет лежать на дне, если не замёрзла, дробь соберётся у крышки. Открутим винт. Давление упадёт, и вода обязательно замёрзнет. Сняв крышку, мы убеждаемся, что вся дробь собралась около крышки. Значит, действительно вода, находящаяся под давлением, не замерзала при температуре ниже нуля.










Рис. 5.




Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.

Если бы мы стали строить свои рассуждения на основании наблюдений над множеством других веществ, то должны были бы прийти к обратному выводу. Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объёме. Давление вызывает уменьшение объёма и этим облегчает переход жидкости в твёрдое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объёме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расширению воды, понижает температуру её замерзания.










Рис. 6. Давление понижает температуру плавления льда.




Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже нуля градусов, и тем не менее вода на этих глубинах не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около ста атмосфер.

Будь вода нормальной жидкостью, мы вряд ли бы испытывали удовольствие от катанья на коньках по льду. Это было бы то же самое, что и катанье по совершенно гладкому стеклу. Коньки не скользят по стеклу. Совсем другое дело на льду. Кататься на коньках по льду очень легко. Почему? Под тяжестью нашего тела тонкое лезвие конька производит на лёд довольно сильное давление, и лёд под коньком тает; образуется тонкая плёнка воды, которая служит превосходной смазкой. Опыт, показанный на рисунке 6, убедительно подтверждает это. Под тонкой проволокой возникает давление, при котором лёд плавится, и проволока проходит через весь кусок. Поверх проволоки этого давления нет, и образовавшаяся вода снова застывает, спаивая куски льда вместе. Опыт этот удаётся тем лучше, чем тоньше проволока и тяжелее груз.




6. Горячий лёд


Лёд не тонет в воде. Это — одна из особенностей воды. Однако нам не следует думать, что поведение воды всегда «безнадёжно»: иногда она начинает вести себя вполне нормально, так же, как и все другие жидкости. Знаете ли вы, что бывает лёд, который тонет в воде? Такой лёд удалось получить около сорока лет назад. При этом было обнаружено, что вода может давать лёд четырёх различных видов, не считая обыкновенного: лёд II, лёд III, лёд V и лёд VI (существование льда IV находится под сомнением).

Снова возьмём наш стальной цилиндр (см. рис. 5) и наполним его водой. Сдавим воду до 2000 атмосфер и охладим до тридцати градусов мороза. Вода застынет в нём в обыкновенный лёд. С помощью винта станем при этой температуре увеличивать давление. Прибор показывает 2115 атмосфер, и мы замечаем, что дальнейшее вращение винта уже не приводит к повышению давления. Это происходит потому, что обыкновенный лёд переходит в так называемый лёд III, который не только плотнее обыкновенного льда, но на пять процентов плотнее воды.

Естественно, он будет занимать меньший объём, почему при движении винта и не увеличивается давление. Лёд III — это лёд, который тонет в воде.

Если поднять давление до 3 тысяч атмосфер и охладить цилиндр до минус 80 градусов, то образуется лёд II, который плотнее обыкновенного льда на 22 процента. Быстро развинтив прибор, можно успеть высыпать этот лёд на стол. При этом будет наблюдаться интересное явление: лёд II, увеличиваясь в объёме, станет вспучиваться и рассыпаться в порошок обыкновенного льда (льда I), подобно тому как растёт в своём объёме и рассыпается известь при гашении её водой.

При давлениях немногим выше 20 тысяч атмосфер вода даёт новый лёд, — лёд VI, который плотнее воды на 9, 5 процента. Чтобы расплавить такой лёд, надо нагреть его до плюс 80 градусов. Это уже, так сказать, «горячий» лёд.

Теперь предположим, что мы сжали воду в цилиндре до нескольких тысяч атмосфер и после этого выставили его на мороз. Лопнет ли наш цилиндр при замерзании воды? Нет, не лопнет. Ведь он выдержал давление, под которым находилась вода! При застывании воды в таких условиях давление в цилиндре не возрастает, а падает, так как образующийся лёд плотнее воды и занимает меньший объём.

Особенность воды, связанная с увеличением объёма при замерзании, имеет место только при давлениях ниже 2000 атмосфер. При более высоких давлениях эта особенность исчезает, и поведение воды становится похожим на поведение всех других веществ.

Следовательно, нельзя без оговорки утверждать, что лёд всегда плавает в воде и плавится при нуле градусов. При известных условиях лёд может быть тяжелее воды и иметь температуру плавления даже плюс 80 градусов.




7. Единица теплоты


При сжигании топлива — дров, угля, нефти и т. д. — выделяется тепло. Этим теплом можно нагреть, например, воду, превратив её из жидкости в пар. Пар за счёт своего тепла может совершать работу: поднять тяжёлый молот, привести в движение колёса паровоза, вращать винт океанского парохода. Измерять количество теплоты, заключённой в нагретом теле, мы можем по той работе, которую совершает это тело при своём охлаждении. Однако практически оказалось более удобным измерять теплоту особой единицей, которую при желании можно легко пересчитать в единицы работы. Условились считать единицей теплоты то её количество, которое необходимо сообщить одному грамму воды, чтобы нагреть его на один градус. Эту единицу, как мы уже говорили, называют калорией. Вы видите, что и здесь воде, как носителю определённых тепловых свойств, отведено весьма почётное место.

Если поставить холодный утюг на горячую плиту, часть тепла от плиты перейдёт к утюгу, и он нагреется. Получая тепло, вода, как и любое другое вещество, конечно, нагревается тоже. Но и здесь вода сохраняет своеобразный характер: один грамм воды требует для нагревания на один градус значительно больше тепла, чем один грамм любого другого вещества. Равное по весу количество свинца при нагревании на то же число градусов требует тепла в тридцать раз меньше, железо в девять раз, а кирпич примерно в пять раз меньше, чем вода. Только немногие тела пытаются в этом отношении соревноваться с водой — это дерево, спирт, эфир и некоторые другие; они требуют приблизительно половины того количества тепла, которое нужно для воды. Даже лёд, представляющий собой ту же воду, только в твёрдом состоянии, требует в два раза меньше тепла по сравнению с жидкой водой.

Способность тела поглощать то или другое количество теплоты при нагревании одного грамма его на один градус называют удельной теплоёмкостью (величина удельной теплоёмкости воды участвует в очень многих теплотехнических расчётах). И мы можем сказать, что удельная теплоёмкость жидкой воды — самая большая среди теплоёмкостей других тел. Здесь вода не проявляет какой-либо аномалии, она только стоит особняком в ряду других веществ и отличается от них только в количественном отношении.

Большая теплоёмкость воды имеет огромное значение и в природе, и в нашей практической жизни, бывая в одних случаях выгодной, а в других нежелательной.

Чтобы вскипятить чайник воды на электрической плитке, приходится затрачивать сравнительно много энергии, что совсем невыгодно отражается на показаниях электросчётчика. Но когда мы принимаем ванну, то с удовольствием ощущаем продолжительное время приятную теплоту; имея меньшую теплоёмкость, вода охлаждалась бы быстрее. Применение водяного отопления зданий или, наоборот, охлаждения водою машин также связано, помимо удобства использования воды, с выгодным её отличием — большой теплоёмкостью.

Большой теплоёмкостью воды в немалой степени определяется и климат нашей планеты.

Теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, по сравнению с водой мала, и хотя поверхность суши поглощает лишь ничтожную долю падающей на неё солнечной энергии, нагревается она очень сильно, — в течение суток температура почвы в некоторых районах может изменяться на десятки градусов. Горные породы и почва плохо проводят тепло, и в основном тепло от суши передаётся воздуху. В летнее время, например, воздух получает тепла от песчаной пустыни в 130 раз больше, а от гранита в 75 раз больше, чем от поверхности открытого моря.

Теплоёмкость воды, как мы уже знаем, велика. Кроме того, верхние слои морской воды очень подвижны. Морские течения и волны постоянно перемешивают их. В результате летом вода, хотя и поглощает огромное количество солнечного тепла, остаётся холоднее поверхности суши и нагревает морской воздух слабее, чем суша. Вполне естественно поэтому, что в летнее время над морем воздух прохладнее, чем над материком.

Наступает осень. Суша очень быстро передаёт небольшой запас тепла воздуху и в дальнейшем уже не нагревает его. Иное дело — водные пространства. Поглотив в летние дни огромные количества солнечного тепла, океаны и моря в течение всей зимы непрерывно подогревают воздух. Поэтому зимой на одних и тех же широтах температура воздуха над морем много теплее, чем в глубине материка.

Неравномерное нагревание суши и моря приводит к одному важному явлению в жизни нашей атмосферы. Жители прибрежных стран уже давно заметили, что летом ветер в нижних слоях атмосферы дует с моря, а в зимние месяцы — с суши. Это и понятно. Ведь летом воздух над морем прохладней, чем над сушей. Чем холоднее воздух, тем он плотнее. Поэтому и давление его больше, чем давление тёплого воздуха. Благодаря этому морской воздух устремляется на сушу, к слоям с более высокой температурой и вытесняет их вверх. Зимой картина обратная: холодный воздух суши течёт к морю — к слоям менее плотного воздуха. Такие ветры получили название муссоны (от арабского слова, означающего сезон). Они существенно смягчают климат не только побережья, но и районов, расположенных далеко от моря.

Море в значительной степени сглаживает температурные колебания на суше в течение года. Это хорошо можно проследить на разнице между средними зимними и летними температурами для различных районов Советского Союза. Климат нашего материка в значительной степени смягчается Атлантическим океаном. Чем дальше от океана, тем больше эта разница. Для Ленинграда, Минска, Киева, например, она составляет около 25 градусов, для Архангельска, Москвы, Воронежа и Ростова около 30 градусов, для Урала и средней и нижней Волги — 35 градусов, а для Чкалова и Уральска — почти 40 градусов.

На северо-востоке Сибири разница между средними зимними и летними температурами достигает наибольшего значения для всего земного шара: в Якутске она равна 62,3 градуса, а в Верхоянске 65,9 градуса, несмотря на близость Тихого океана. Объясняется это тем, что Якутия получает от океанов наименьшее количество тепла. От Атлантического океана она находится очень далеко, с юга и востока её отделяют от Тихого океана высокие горные цепи, а с Северного Ледовитого океана в Якутию поступает холодный воздух. Поэтому в районе Верхоянска бывают и самые сильные морозы — до минус 70 градусов.

О смягчающем влиянии Чёрного моря говорит небольшая разница между средними зимними и летними температурами на Черноморском побережье: в Симферополе разница составляет 22,6 градуса, в Ялте — 20,4 градуса, а в Сочи всего 17,5 градуса.

Дальнейшее знакомство с поведением воды при её нагревании сталкивает нас ещё с одной особенностью, выделяющей воду из ряда других веществ.

Как правило, теплоёмкость тела — величина не постоянная. Она возрастает по мере повышения температуры.

Чем выше температура, тем больше надо сообщить телу тепла, чтобы нагреть его ещё на один градус. Исключением из этого правила снова является вода.

Действительно, при нагревании воды от нуля градусов её теплоёмкость не возрастает, как у других тел, а падает. При температуре около 27 градусов теплоёмкость воды достигает своего наименьшего значения; она меньше теплоёмкости при нуле градусов примерно на один процент. При дальнейшем нагревании теплоёмкость начинает расти, и этот рост продолжается даже при температуре выше ста градусов (когда вода нагревается под давлением).

Такая сложная зависимость между теплоёмкостью тела и его температурой известна лишь для немногих веществ.

А как же быть теперь с единицей теплоты — калорией? На странице 23, устанавливая, что такое калория, мы ни словом не обмолвились о температуре. Очевидно, это определение было неверным или, во всяком случае, неточным. В самом деле, для нагревания воды от 5 до 6 градусов надо сообщить воде тепла на 0, 7 процента больше, чем при нагревании от 20 до 21 градуса. Эта величина небольшая, но тем не менее при точных научных расчётах её необходимо учитывать. Поэтому условились за калорию принимать такое количество тепла, которое нагревает на один градус один грамм чистой воды от температуры 14, 5 до температуры 15, 5 градуса. Эта единица тепла очень близка к среднему значению теплоёмкости, измеренной при нагревании воды от 0 до 100 градусов: если всё тепло, затраченное на нагревание одного грамма воды от 0 до 100 градусов, разделить на число градусов, то есть на 100, то получится величина, очень близкая к выбранной калории. Эту калорию обычно называют пятнадцатиградусной калорией.

Чтобы получить представление о калории как единице теплоты, приведём несколько цифр. При сжигании одного килограмма керосина выделяется 11 000 000 калорий, при сжигании килограмма дров — около 4 500 000, спирта — 7 100 000 калорий. Как видно, цифры получаются весьма большие; следовательно, выбранная единица очень мала. Поэтому на практике обычно пользуются единицей, в тысячу раз большей, и называют её большой калорией.




8. Быстро ли тает лёд?


Сейчас для нас потребуются только снег, чашка, термометр и немного терпения. Принесём с мороза чашку снега, поставим её в тёплое, но не горячее место, погрузим в снег термометр и будем наблюдать за температурой. Сначала столбик ртути сравнительно быстро поползёт вверх. Снег при этом остаётся ещё сухим. Достигнув нуля, столбик ртути остановится. С этого момента снег начинает таять. На дне чашки появляется вода, а термометр по-прежнему показывает нуль. Непрерывно перемешивая снег, нетрудно убедиться, что, пока весь он не растает, ртуть не сдвинется с места.

Чем же вызвана остановка температуры и как раз на то время, когда снег превращается в воду? Поступающее к чашке тепло целиком расходуется на разрушение кристалликов-снежинок. И как только последний кристаллик разрушится, температура воды начнёт повышаться.

То же самое явление можно наблюдать и при плавлении любых других кристаллических веществ. Все они требуют некоторого количества теплоты для перехода из твёрдого состояния в жидкое. Это количество, вполне определённое для каждого вещества, называют теплотой плавления.

Величина теплоты плавления для разных веществ различна. И вот именно здесь, когда мы начинаем сравнивать удельные теплоты плавления для различных веществ, вода снова выделяется среди них. Как и удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления льда намного превосходит теплоту плавления любого другого вещества.

Чтобы расплавить один грамм бензола, нужно 30 калорий, теплота плавления олова равна 13 калориям, свинца — около 6 калорий, цинка — 28, меди — 42 калории. А чтобы превратить при нуле градусов лёд в воду, необходимо 80 калорий! Такого количества теплоты достаточно для повышения температуры одного грамма жидкой воды от 20 градусов до кипения. Только у одного металла, алюминия, удельная теплота плавления превосходит теплоту плавления льда.

Итак, вода при нуле градусов отличается от льда при той же температуре тем, что каждый грамм воды содержит в себе теплоты на 80 калорий больше, чем грамм льда.

Теперь, зная, как высока теплота плавления льда, мы видим, что нам нет никаких оснований жаловаться иногда, что лёд тает "слишком быстро". Имей лёд такую же теплоту плавления, как большинство других тел, он таял бы в несколько раз быстрее.

В жизни нашей планеты таяние снега и льда имеет совершенно исключительное по своей важности значение. Нужно помнить, что только ледниковый покров занимает более трёх процентов всей земной поверхности или 11 процентов всей суши. В районе южного полюса лежит огромный материк Антарктика, превышающий по размерам Европу и Австралию, вместе взятые, покрытый сплошным слоем льда. На миллионах квадратных километров суши царит вечная мерзлота. Только ледники и вечная мерзлота составляют пятую часть суши. К этому надо прибавить ещё поверхность, занесённую в зимнее время снегом. И тогда можно сказать, что от одной четверти до одной трети суши всегда покрыто льдом и снегом. Несколько месяцев в году эта площадь превышает половину всей суши.

Ясно, что огромные массы застывшей воды не могут не отражаться на климате Земли. Какое колоссальное количество солнечного тепла расходуется только на то, чтобы расплавить весной один снежный покров! Ведь в среднем он достигает около 60 сантиметров толщины, а на каждый грамм надо затратить 80 калорий. Но солнце — такой мощный источник энергии, что в наших широтах оно справляется с этой работой иногда в несколько дней. И трудно представить, какое половодье ждало бы нас, если бы лёд имел, например, такую теплоту плавления, как свинец. Весь снег мог бы растаять за один день или даже за несколько часов, и тогда разлившиеся до необычайных размеров реки смыли бы с поверхности земли и самый плодородный слой почвы, и растения, принося всему живому на Земле неисчислимые бедствия.

Лёд, плавясь, поглощает огромное количество тепла. Такое же количество тепла отдаёт вода при замерзании. Если бы вода имела небольшую теплоту плавления, то наши реки, озёра и моря, вероятно, застывали бы после первых же заморозков.

Итак, к большой теплоёмкости воды прибавилась ещё одна замечательная особенность — большая теплота плавления.




9. Невидимый переносчик тепла


Следующая особенность воды, мимо которой мы не можем пройти ввиду её исключительной важности, касается перехода жидкой воды в пар. Продолжим дальше опыт, начатый со снегом (стр. 27). После того как весь снег превратился в воду, поставим нашу чашку на горячую плиту и будем наблюдать за термометром. Вода станет нагреваться, и ртуть термометра поползёт вверх. С ровной спокойной поверхности воды выделяется пар. Он невидим, но его легко обнаружить, если поднести к поверхности воды сравнительно холодный предмет, например зеркало: пар охладится и сгустится в мельчайшие капельки, которые затуманят поверхность зеркала. То же самое бывает и с горячим паром, вырывающимся из отверстия в крышке чайника при кипении воды. Струя пара вблизи самого отверстия горяча и невидима, но на некотором расстоянии от отверстия пар уже успевает охладиться воздухом, и мы хорошо видим струю тумана.

Надо заметить, что вода испаряется при всякой температуре. Оставьте в комнате на тарелке немного воды, — за день она может испариться вся. Испаряется не только вода, но и снег, и лёд, и даже при температуре ниже нуля градусов. Ведь сохнет же на морозе бельё. Правда, оно сохнет медленнее, чем летом, когда в сухую погоду оно высыхает за несколько часов, а то и быстрее. Чем выше температура, тем быстрее испаряется вода.

Когда термометр покажет 100 градусов, вода закипит. Это значит, что ниже поверхности воды, вначале преимущественно на стенках сосуда, а затем и по всей массе воды, станут образовываться мелкие пузырьки пара, которые быстро вырастают в объёме и, как более лёгкие, всплывают наверх. Когда пузырьки пара начинают сильно перемешивать воду, мы говорим: вода кипит ключом.

Пока вся вода не выкипит, ртуть в термометре не сдвинется с места.

При переходе одного грамма воды в пар при температуре 100 градусов требуется 538 калорий. Эта энергия, сообщаемая воде в виде тепла, носит название теплоты парообразования.

На что же расходуются эти 538 калорий? Прежде всего представим себе такой опыт. В трубку длиною около двадцати метров, запаянную с одного конца (рис. 7), налита до уровня в 1 сантиметр вода при температуре 100 градусов. Вообразим, что на поверхности воды лежит невесомый поршень, который двигается в трубе без трения и совершенно не пропускает пара. Станем нагревать воду до тех пор, пока она вся не испарится; при этом она поглотит 538 калорий тепла. Когда испарение будет закончено, поршень поднимется больше чем на 16, 5 метра вверх! Значит, при переходе жидкой воды в пар объём увеличился в 1650 раз (точнее — в 1653 раза). Но, чтобы тело могло расшириться, оно должно отвоевать себе для этого место, должно преодолеть давление воздуха! На это затрачивается определённая работа, так называемая работа расширения. При испарении одного грамма воды эта работа, выраженная в тепловых единицах, составит около 43 калорий.










Рис. 7. При испарении объём воды увеличивается приблизительно в 1650 раз.




Но ведь мы знаем, что теплота парообразования для воды равна 538 калориям? Куда же идут остальные 495 калорий? Они необходимы для разъединения связанных между собой в жидкой воде молекул на отдельные свободно движущиеся молекулы пара. Это лишний раз указывает на то, что в жидкой воде молекулы образуют какие-то прочные постройки, — для разрушения их должна быть затрачена значительная энергия.

Расход тепла на образование пара из воды легко ощутим. Намочите руку и помашете ею в воздухе — вы почувствуете прохладу. После купанья в реке стоять мокрому на берегу, да ещё при ветре, неприятно; мы стараемся быстрее вытереться полотенцем, чтобы влага не испарялась с нашего тела и не отнимала от него тысячи калорий.

Смоченная спиртом или эфиром рука ощущает особенно резкий холод. Хотя и спирт и эфир имеют сравнительно небольшую теплоту испарения, но температуры кипения этих жидкостей низки: у спирта 78, 3 градуса, а у эфира 35, 6 градуса. Поэтому и испаряются спирт и эфир во много раз быстрее, чем вода.

Сравним теперь теплоты парообразования различных веществ. Чтобы перевести в пар один грамм ртути, нужно затратить 68 калорий, удельная теплота парообразования спирта равна приблизительно 200 калориям, эфира 90, бензола 94, скипидара 70 и т. д. Мы видим, что и здесь вода стоит обособленно среди других жидкостей.

При переходе пара в воду теплота парообразования полностью выделяется и может быть использована. Кто работает или бывал на заводах и фабриках, тот знает, как широко применяется пар для нагрева. На некоторых заводах паровые трубы образуют столь сложную сеть, что в ней может разобраться только хорошо знающий данное производство человек. Сотни различных конструкций парообогревателей выполняют важную роль в общем технологическом процессе. На рисунке 8 показаны две самые простые установки для нагрева жидкостей: одна — змеевиком, другая — паровой «рубашкой». Пар, омывая холодные стенки, отдаёт им свою теплоту парообразования, и сам превращается в воду — конденсат.










Рис. 8. Змеевик и паровая рубашка.




Испарение воды имеет громадное значение в природе. Со всей поверхности земного шара ежегодно испаряется около 400 тысяч кубических километров воды. Для испарения этой воды расходуется огромное количество солнечного тепла. Чтобы получить столько тепла, надо сжечь десять миллиардов тонн каменного угля.

Представьте себе теперь, какое количество энергии переносит пар в атмосферу. Пусть где-нибудь в районе экватора испарилась вода. Образовавшиеся пары вместе с воздухом поплыли над поверхностью Земли и достигли, например, средних широт, где уже не так тепло. В этих условиях пар станет конденсироваться, то есть превращаться в воду, и выделять теплоту испарения, запасённую на юге, нагревая ею прежде всего воздух, а через него почву и все окружающие предметы. Учесть количество тепла, которое переносят пары воды с одного места земного шара в другое, не представляется возможным; во всяком случае для перевозки соответствующего количества топлива потребовалось бы, вероятно, такое количество транспортных средств, которым человечество ныне ещё не располагает.

Пары воды и облака, всегда имеющиеся в нашей атмосфере, играют ещё и другую роль. Поглощая в сильной степени тепловые лучи, они укрывают нашу Землю как бы одеялом, предупреждая рассеяние тепла и защищая Землю от излишнего перегрева Солнцем.




10. Холодный кипяток


Мы уже видели, что температура плавления льда — величина непостоянная. Она зависит от давления: чем выше давление, тем ниже температура, при которой плавится лёд.

А будет ли сказываться изменение давления воздуха или пара над водой на значении температуры кипения воды?

Попробуем ответить на этот вопрос с помощью простого рассуждения.

Кипение жидкости начинается тогда, когда пузырьки пара, образующиеся ниже поверхности, получают возможность выходить наружу. Чтобы пузырёк пара существовал и рос в своём объёме, он должен преодолевать внешнее давление: давление пара внутри пузырька должно по меньшей мере быть равным внешнему давлению или превышать его. Каждый знает, что нельзя беспредельно нагревать воду в плотно закрытом сосуде: рано или поздно образующийся пар обязательно разорвёт сосуд. Значит, давление пара растёт с повышением температуры. А раз это так, то мы можем заключить, что чем больше давление, тем выше температура кипящей воды.

Так оно в действительности и есть.

Температура кипения воды в паровом котле, работающем при двух атмосферах, равна 121 градусу, а при десяти атмосферах — 180 градусам. При 84,8 атмосферы температура кипения воды равна 300 градусам.

При пониженном давлении, наоборот, вода закипает при температуре более низкой, чем 100 градусов. Известно, что на высоких горах воздух разрежён, и чем выше гора, тем меньше давление воздуха над нею. Поэтому, например, на вершине Монблана (высота его равна 4810 метрам) вода кипит при 84 градусах, а на высоте 7360 метров — при 75,9 градуса (рис. 9).










Рис. 9. С понижением давления температура кипения воды понижается.




При давлении в одну восьмую атмосферы вода кипит уже при 50 градусах, а при давлении в одну восьмидесятую атмосферы при 10 градусах. В таком кипятке уже не сваришь мясо и, конечно, не обожжёшься, а скорее замёрзнешь.

А может ли случиться так, что вода, нагретая до 100 градусов, при обычном давлении не кипит? Да. Это бывает в тех случаях, когда вода не содержит никаких растворённых газов. В этом случае воду можно «перегреть» выше 100 градусов. Но если в такую перегретую воду попадает хотя бы немного газа, сразу же образуется огромное количество пара. Подобное явление может служить причиной взрыва паровых котлов.

Величина теплоты парообразования также изменяется в зависимости от условий, при которых происходит испарение. Чем выше температура воды, тем меньше надо добавить теплоты, чтобы перевести воду в пар. В конце концов можно достигнуть такого состояния, когда для перевода жидкости в пар уже не потребуется совершенно никакой теплоты. Для каждой жидкости это состояние характеризуется вполне определёнными температурой и давлением. Для воды это состояние наступает при 380,5 градуса и при давлении в 217,5 атмосферы.




11. Можно ли нагреть тело, отнимая от него тепло?


Теплота, переходя от теплого тела к более холодному, нагревает его. Это настолько очевидно, что не требует каких-либо поясняющих примеров. Мы не знаем обратного случая, когда холодный предмет передал бы сам по себе своё тепло более нагретому телу.

Чтобы поднять температуру какого-нибудь тела, надо сообщить ему некоторую энергию. Проще всего это сделать путём передачи тепла от другого тела, имеющего более высокую температуру. Два тела с различной температурой, приведённые в соприкосновение, через некоторое время становятся одинаково нагретыми: тёплое тело отдаст часть своего тепла и при этом несколько остынет, холодное, поглощая это тепло, нагреется. В результате оба тела будут иметь одинаковую температуру. Всё это так привычно нам и столь закономерно, что мы не задумываемся над тем, что нагреется и что остынет, если, например, чайник с кипятком поставить на снег. Но сейчас мы познакомимся с одним явлением, в котором наблюдается, на первый взгляд, обратное.

На рисунке 10 показан разрез паровозного котла. В котёл налита вода. Получая через стенки жаровых труб тепло от топочных газов, она кипит. Над поверхностью воды в верхней части котла собирается пар, который называется паром, насыщающим пространство, или сухим паром. Однако практически при кипении воды в паровое пространство котла переходит не только пар, но и увлекаемые им капельки воды. Эти капельки, взвешенные в паре, являются его составной частью. Если даже вода кипит совершенно спокойно и пар не увлекает с собой капелек воды, то они всё равно могут сами образоваться в паре: проходя по трубопроводам или попадая в цилиндр паровой машины, сухой пар несколько остывает, а это неизбежно ведёт к конденсации. Такой пар, в котором имеются капельки, называют влажным, а иногда — мокрым паром.










Рис. 10. Схема паровозного котла.




Станем сжимать влажный пар, в котором по весу содержится половина или больше мелких капель воды. Сделаем это так, чтобы соотношение между количеством пара и жидкости или, как говорят, влажность пара, оставалось неизменным. При сжатии пар окажется пересыщенным и часть его превратится в жидкость. Чтобы сохранить влажность пара прежней, к нему придётся, очевидно, подвести некоторое количество тепла. Сконденсировавшаяся вода снова испарится, и влажность станет прежней. В этом случае подведённая теплота расходуется на испарение воды, что вполне естественно и понятно.

Но если мы возьмём влажный пар, в котором вода составляет меньше половины общего веса, то картина будет совершенно иная. Будем сжимать пар столь быстро, чтобы тепло не успевало приходить к нему извне и уходить от него в окружающее пространство. В этом случае мы заметим, что пар становится суше. Часть содержащейся в нём жидкой воды превращается в пар. Чтобы возвратить пару прежнюю влажность, надо отнять от пара часть тепла, передать его, например, холодной воде. После того как начальная влажность будет восстановлена, измерим температуру пара. Она окажется выше той, которую пар имел до сжатия.

Что же мы получили в результате? Мы сжали пар, потом отняли от него часть тепла и нагрели им воду, но сам пар при этом не остыл, а наоборот, нагрелся.

Не противоречит ли всё это тому, что мы утверждали вначале? Нет. Дело в том, что когда мы сжимаем не слишком влажный пар, мы сообщаем ему энергию. Эта энергия превращается в теплоту. И количество теплоты в этом случае так велико, что её с избытком хватает для поддержания прежней влажности пара при повышенном давлении и более высокой температуре. Избыток тепла мы передаём холодной воде. Таким образом, хотя от пара после сжатия и было отнято тепло, он оказался более нагретым, чем до сжатия. Это явление имеет важное практическое значение, особенно при проектировании паровых машин.



* * *


Мы познакомились с некоторыми наиболее интересными и важными свойствами воды и узнали, что вода во многом отличается от других жидкостей. Плотность и теплоёмкость воды изменяются с температурой совсем не так, как это обычно для большинства других веществ. При замерзании в обычных условиях вода не уменьшается в объёме, как почти все другие вещества, а увеличивается. Благодаря этому и поведение воды носит такой своеобразный характер. У воды очень большая удельная теплоёмкость и высокая удельная теплота плавления. Велика и удельная теплота испарения воды.

Однако этим далеко не исчерпываются все особенности воды. Вода выделяется также и по некоторым другим свойствам.

Если все эти отличия не бросаются нам в глаза, то только потому, что с водой мы встречаемся чаще всего и привыкли считать, что вода — самая типичная жидкость.

Слепая вера в воду, как в самое простое вещество, не таящее в себе никаких неожиданностей, нередко направляла исследования учёных по ложному пути и приводила к неверной оценке изучаемых явлений.

Вода имеет ещё одно замечательное свойство — она является лучшим растворителем. Ни одна другая жидкость не может конкурировать с водой по количеству различных веществ, способных в ней растворяться.

С водой как растворителем мы и познакомимся в следующем разделе.




12. Есть ли в природе чистая вода?


Приходилось ли вам когда-нибудь пить совершенно чистую воду? Можно с уверенностью сказать, что вы не только не пили её, но и никогда не видели. Загляните внутрь пустого самовара, который служил вам много лет. Стенки самовара покрыты серой или желтоватой коркой. Откуда же она взялась? Ведь кроме «чистой» воды в самовар ничего не наливалось.

В том-то и дело, что наливалась не чистая вода. В природе нет чистой воды. Если она где-нибудь и образуется, то очень не надолго. Вода — хороший растворитель. Соприкасаясь с другими веществами, она растворяет их и всюду с ними путешествует, подбирая по дороге новые вещества или поглощая одни и выделяя другие.

Получить совершенно чистую воду — очень трудная задача. Только учёные в своих лабораториях получают иногда такую воду, да и то в очень маленьких количествах.

Из всех природных вод наиболее чистая — дождевая. Но и дождевая вода не является совершенно чистой. Дело в том, что конденсация водяных паров в атмосфере происходит преимущественно на пылинках, смачивающихся водой, на кристалликах солей, попадающих в воздух при испарении брызг морских волн, на некоторых солях, образующихся в самом воздухе под действием солнечных лучей и грозовых разрядов. Таким образом только что возникшая дождевая капля или снежинка уже не является чистой водой. Если собрать немного дождевой воды или расплавить только что выпавший снег, то после отстаивания на дне всегда можно увидеть твёрдый осадок. Это и есть пылинки, принесённые водой из атмосферы. После выпаривания одного литра дождевой воды, собранной даже в горах, вдали от населённых пунктов, получается около четырёх сотых долей грамма сухого остатка. Состав этого остатка бывает различным. В нём есть и соли морской воды, и аммиачная селитра и другие. Если дождь шёл в заводском районе, то в воде содержатся и те вещества, которые попадают в воздух из вентиляционных установок и дымовых труб.

Но не одни твёрдые вещества растворены в дождевой воде. В ней растворяются и газы, например воздух.

Чем выше температура, тем меньше растворённых газов содержит вода. В одном литре дождевой воды при 4 градусах растворено более 30 кубических сантиметров воздуха, а при 15 градусах — около 25 кубических сантиметров.

Различные газы в воде растворяются в разных количествах: одни — больше, другие — меньше. Если собрать воздух, который растворён в воде, то окажется, что его состав будет иной, чем в атмосфере. Он обогащён кислородом. Атмосферный воздух содержит по объёму 78 процентов азота и 21 процент кислорода, а воздух, выделенный из воды, содержит 63 процента азота и 36 процентов кислорода. Это повышенное содержание кислорода в воде очень важно для обитателей водоёмов.

Присутствие кислорода в воде имеет и отрицательное значение. Кислород вредно действует на металлы, соприкасающиеся с водой, способствуя их разрушению. Деятельным помощником кислорода в этом смысле является также углекислота, очень хорошо растворяющаяся в воде.

Самая богатая солями природная вода — морская. В ней встречается более пятидесяти различных химических элементов. Наиболее постоянна по составу океанская вода. Один литр её содержит от 33 до 39 граммов растворённых твёрдых веществ, в том числе около 25 граммов поваренной соли. Вода Чёрного моря в два раза беднее солями — Черноморский бассейн разбавляется большим количеством пресных вод, приносимых Кубанью, Днепром, Бугом, Дунаем и т. д. Особенно богаты солями воды некоторых внутренних морей, — морей, не сообщающихся с океанами. В Мёртвом море, например, в каждом литре воды растворено около 200 граммов поваренной соли.

Воды рек, ручьёв, озёр, а также ключей занимают среднее положение между морской и дождевой водой и отличаются исключительно большим разнообразием и по составу и по количеству растворённых в них веществ.

Воды рек и пресных озёр, приходя в соприкосновение с различными горными породами, извлекают из них некоторые составные части и уносят их с собой или в растворённом виде или в виде взвешенных частиц. Состав этих вод постоянно изменяется от прибавления к ним дождевой воды, от жизнедеятельности в самой воде растительных и животных организмов. Во время весенних паводков к веществам, растворённым в водах рек и озёр, добавляются ещё значительные количества взвешенных частиц, смытых с почвы и делающих воду мутной.

Состав речной воды изменяется также и от случайных обстоятельств, например от спуска в реку сточных вод городов и промышленных отбросов фабрик и заводов.

При испарении одного литра воды, взятой из Невы, остаётся около 0,055 грамма осадка, из Днепра — 0,171, а из Темзы — 0,301 грамма.

Чем больше в воде растворено минеральных веществ, тем, как говорят, выше её жёсткость. Различают временную и постоянную жёсткость. Временная жёсткость вызывается присутствием в воде двууглекислых солей металлов кальция, магния, железа. Эти соли могут быть легко удалены из воды: при кипячении они переходят в нерастворимые углекислые соли и выпадают в осадок[2 - Подробнее об этом см. брошюру серии "Научно-популярная библиотека" А. М. Рубинштейн "Химия вокруг нас".]). Постоянная жёсткость связана с присутствием в воде сернокислых и хлористых солей: кальция, магния, натрия и калия, которые не осаждаются из воды при кипячении. Особенно вредны хлористые и сернокислые соли магния: при высокой температуре они разлагаются водой и выделяют соляную и серную кислоты.




13. Как получить чистую воду


B история возникновения любого города, любого населённого пункта неразрывно связана с водой. Одним из основных условий благоустройства города надо считать хорошее водоснабжение. Вода нужна для питья и приготовления пищи, для промышленных целей, для удаления нечистот по каналам за пределы города, для поливки улиц, для орошения зелёных насаждений и т. д.

В зависимости от того, идёт ли вода в пищу, подаётся ли в паровой котёл, используется как растворитель в производстве или предназначается для точных научных исследований, она должна быть в той или иной степени освобождена от примесей.

Вода, употребляемая для питья, не должна содержать вредных для здоровья веществ. Она должна быть бесцветна, прозрачна, прохладна (летом иметь температуру по возможности не выше 10–12 градусов), лишена всякого постороннего запаха и вкуса. При оценке качества питьевой воды в первую очередь следует выяснить, не загрязнена ли она отбросами животного происхождения, потому что это может явиться причиной заражения питьевой воды болезнетворными микробами. Резкие изменения температуры колодезной воды, наличие загрязнений или внезапное помутнение её могут служить признаком того, что в водоносный слой попали сточные воды.

Встречающиеся в питьевой воде минеральные соли, как правило, безвредны для здоровья, но если вода содержит их очень много, она становится невкусной.

Большая жёсткость нежелательна и в воде, употребляемой для мытья и стирки. При мытье в жёсткой воде требуется большее количество мыла, так как часть мыла вступает в химическое соединение с солями (кальция, магния, железа) и образует нерастворимые в воде соли. Это и есть тот процесс, который мы обычно называем «свёртыванием» мыла. Кроме того стирка в такой воде понижает носкость тканей: ткани делаются жёсткими и хрупкими и легче рвутся в местах сгибов. Также действует мытьё в жёсткой воде и на волосы, делая их ломкими и клейкими.

Нельзя пользоваться жёсткой водой и для питания паровых котлов. Присутствие в ней солей, особенно солей кальция и магния, ведёт к быстрому разрушению стенок котла. Образование накипи утолщает стенки котла и приводит к излишнему расходу топлива. В технической литературе можно встретить такие цифры перерасхода топлива: при слое накипи в один миллиметр толщиной перерасход топлива составляет 1, 5 процента, при слое в три миллиметра — 5 процентов, а при слое накипи в. 5 миллиметров до 8 процентов.

Различные производства предъявляют к воде самые разнообразные требования. Так, например, при обработке шерсти и шёлка требуется вода, совершенно лишённая солей кальция, магния, железа. В воде, используемой в бумажном производстве, не должны быть соли железа: они могут дать пятна на бумаге. Нежелательны и примеси органических веществ: при загнивании они могут повлечь образование в бумаге грибков.

В крахмальном производстве требуется совершенно прозрачная и бесцветная вода, не содержащая железа, не имеющая запаха и каких бы то ни было растительных остатков — травы, листьев, водорослей и так далее; в противном случае крахмал при сушке станет бурым. Вода должна быть свободна от различных возбудителей брожения — дрожжевых и споровых грибков, сообщающих крахмалу неприятный гнилостный запах.

В воде, применяемой при сахароварении, не должно быть много солей; соли затрудняют варку и кристаллизацию сахара и увеличивают его зольность.

Пивоваренное производство также требует прозрачной воды, без запаха, не загрязнённой вредными минеральными солями и органическими загнивающими веществами.

Интересно, что состав воды диктует производство того или другого сорта пива. Светлые сорта пива получаются только тогда, когда используется вода, бедная углекислыми солями; тёмные же сорта пива требуют, наоборот, воды, в которой имеются преимущественно эти соли.

Если в Мюнхене (Германия) варят тёмные сорта пива, то вовсе не потому, что население предпочитает их другим, а потому, что местная вода богата углекислыми солями.

Однако человек сравнительно редко приспособляется к свойствам той воды, которую предоставляет в его распоряжение природа. В большинстве случаев он находит средства и приёмы для очистки воды, в той степени, конечно, в какой это ему нужно.

Отсутствие поблизости больших водоёмов с чистой водой давно заставило человека искать хорошую воду в недрах земли. С незапамятных времён человек научился добывать грунтовую воду с помощью колодцев.

Вода неглубоких колодцев может быть загрязнена поверхностными водами, просачивающимися через грунт; поэтому желательно устраивать возможно более глубокие колодцы. Хорошую воду с больших глубин обычно дают так называемые артезианские колодцы. Схема устройства такого колодца показана на рисунке 11.










Рис. 11. Схема, артезианского колодца.




Вода рек, озёр и других пресных водоёмов также широко используется для водоснабжения. Однако она часто загрязнена илом, а в крупных населённых пунктах нередко и сточными водами. Эти примеси делают её не пригодной не только для питья, но и для ряда промышленных целей.

Интересно отметить, что вода способна самоочищаться. Если канализационная вода спускается в большую реку, то уже на расстоянии немногих десятков километров вниз по течению речная вода становится такой же чистой, как и до спуска сточных вод. Благодаря растворённому в воде кислороду и деятельности некоторых видов бактерий органические вещества канализационной соды разрушаются. Уменьшается и количество бактерий, принесённых сточными водами: бактерии или пожираются простейшими животными рек или оседают на дно вместе со взвешенными в воде частицами и там погибают. Но часть бактерий, — а среди них и болезнетворные бактерии, — продолжают оставаться в воде довольно долгое время. Кроме того в воде остаются вредные вещества из сточных вод химических заводов. Поэтому на естественное обеззараживание воды подобных водоёмов полагаться нельзя и необходимо искусственно очищать воду.

Прежде чем поступить в водопроводную сеть, вода подвергается специальной очистке на водоочистительной станции. Сначала она отстаивается, а затем направляется в громадные подземные фильтры — бассейны, выложенные каким-нибудь водонепроницаемым материалом (рис. 12). На дно бассейна насыпан толстый слой гравия, а затем песка. Вода просачивается через этот слой и собирается в расположенных на дне сборных трубах и затем поступает в водопроводную сеть. Свежий, хорошо промытый песок — плохой фильтр, поэтому вначале профильтрованная вода выбрасывается. Но вода, проходя через фильтр, оставляет на песчинках илистую плёнку, которая только со временем делает фильтр вполне «созревшим». Такой фильтр уже задерживает и взвешенные в воде частицы, и до 99 процентов всех содержащихся в ней бактерий.










Рис. 12. Подземный фильтр — бассейн.




В значительной степени воду можно очистить, пользуясь весьма простым фильтром. Его устройство показано на рисунке 13. Поверх гравия укладывается слой песка или мешок с ватой, чистыми древесными опилками или измельчённым углём.










Рис. 13. Простой фильтр для воды.




При очень сильном загрязнении воды, особенно в период половодья, даже самого тщательного фильтрования бывает недостаточно. В таких случаях перед фильтрованием прибегают к химической очистке: к воде прибавляют сернокислую соль алюминия. Эта соль в воде разлагается и образует более или менее крупные хлопья. Хлопья захватывают взвешенные в воде частички и медленно падают с ними на дно отстойника.

Для окончательной очистки питьевую воду перед впуском в водопроводную сеть дезинфицируют, употребляя для уничтожения оставшихся бактерий чаще всего озон, хлор или хлорную известь, а иногда и ультрафиолетовое облучение.

Очистку воды, предназначенной для питания паровых котлов и для других технических целей, обычно производят химическими способами. Среди них особенно нужно отметить способ очистки, успешно разрабатываемый советскими учёными. Это — очистка с помощью особых веществ, называемых ионитами. Ионитами могут служить некоторые минералы (например, натриево-алюминиевая соль кремневой кислоты — пермутит), а также искусственные смолы. При фильтровании воды через иониты можно заменить вредные соли, содержащиеся в воде, на соли более безобидные для того или другого производства. Иониты позволяют также провести полное опреснение воды. В настоящее время иониты ещё не получили широкого распространения, но успешное применение их в ряде производств и для бытовых целей указывает на то, что ионитам принадлежит самое ближайшее будущее.

Снабжение населённых пунктов чистой водой — сложная и ответственная задача. Чистая вода также важна для здоровья человека, как и свежий воздух. Однако в капиталистических странах вопрос об охране здоровья населения стоит далеко не на первом месте.

В Англии, например, промышленники, не утруждая себя заботами о нуждах населения, долгое время спускали сточные воды со своих фабрик и заводов прямо в реки. В результате промышленные отбросы сделали воду рек Англии совершенно не пригодной для питья. Известен следующий случай. От реки Темзы однажды исходило такое зловоние, что парламент был вынужден прекратить заседание; парламентская комиссия составила протокол о чрезмерном загрязнении Темзы, написав протокол водой из этой реки, а в заключение выразила сожаление, что не может в качестве доказательства приложить к протоколу запах, исходящий от Темзы!

В городах капиталистических стран есть благоустроенные кварталы, сияющие чистотой, с прекрасной канализационной сетью. Эти кварталы существуют только для тех, у кого есть деньги. Но есть и другие кварталы, кварталы рабочих окраин, утопающие в грязи и зловонии. Ещё Энгельс писал о них так: "Современное естествознание показало, что так называемые "дурные кварталы", в которых скучены рабочие, представляют очаги всех тех эпидемий, которые периодически посещают наши города. Холера, тиф и тифозная горячка, оспа и другие заразные болезни распространяют свои бактерии в зачумлённом воздухе и отравленной воде этих рабочих кварталов; там они почти никогда не исчезают, развиваются, едва только условия позволяют это, в эпидемические массовые болезни и выходят за пределы своих очагов в более богатые воздухом и здоровые части города, населённые господами капиталистами. Господа капиталисты не могут безнаказанно доставлять себе удовольствие обрекать на эпидемические заболевания рабочий класс; последствия падают на них самих, и смерть косит свои жертвы среди капиталистов так же беспощадно, как среди рабочих…

С тех пор, как наука установила этот факт, человеколюбивые буржуа возгорелись пламенным соревнованием в заботе о здоровье своих рабочих… В Германии, по обыкновению, понадобился гораздо более продолжительный срок, пока постоянно существующие и здесь источники заразы развивались до такой степени, которая необходима, чтобы расшевелить сонную крупную буржуазию". Кое-где начали сноситься рабочие кварталы и на их месте создавались широкие светлые улицы и скверы. Но грязные жилища рабочих снова возникали в других местах. По существу, они только переносились с одного места на другое.

Пока существует капитализм, бессмысленны всякие разговоры о серьёзном улучшении условий жизни рабочих. Только в стране социализма эта задача является одной из основных общегосударственных задач.

В дореволюционной России водопровод был в 215 городах, а канализация только в 20. При Советской власти к концу второй пятилетки число водопроводов уже было удвоено и в сотнях городов была проложена канализационная сеть. Законодательством Советского Союза запрещается спуск сточных промышленных вод и других нечистот в поверхностные водоёмы без предварительной очистки, а в отдельных случаях и дезинфекции.

Москва ещё с конца XVIII века пользовалась прекрасной ключевой водой из обильных источников близ Мытищ. Но Мытищинская водоподъёмная станция не могла давать больше 2 миллионов вёдер воды в сутки. Этого количества воды не хватало для быстро растущего города. В начале нашего столетия был построен Рублёвский водопровод, черпавший воду из верхнего течения реки Москвы.

До Октябрьской Революции на каждого москвича приходилось меньше 100 литров воды в сутки, включая сюда, конечно, расход воды промышленными предприятиями, потреблявшими основную её массу.

В настоящее время канал Москва-Волга приносит столице в изобилии чистую волжскую воду. На каждого жителя Москвы приходится свыше 600 литров воды в сутки.

Водопроводная вода чиста, безвредна и приятна на вкус. Только воды некоторых ключей могут состязаться с ней в этом отношении. Но и водопроводная вода далеко не везде может быть использована. Например, для аптек, фотографий и многих научных лабораторий вода из водопровода непригодна — ведь в ней всегда есть небольшое количество растворённых солей и некоторые органические вещества. Каким же путём освободиться от них?

Обычное фильтрование и химическая очистка здесь не помогут. Поэтому воду перегоняют. Перегонка воды производится в специальных аппаратах. На рисунке 14 показан часто употребляющийся для этой цели перегонный куб. Он состоит из котла с крышкой и пароотводной трубкой и холодильника в виде спирали, охлаждаемого снаружи проточной холодной водой. В котле кипит вода. Пары её поступают в холодильник и охлаждаются на холодных стенках змеевика. Капельки воды вытекают в приёмник. Этот процесс называется дистилляцией (или дестилляцией), что означает — стекание каплями, а получаемая вода — дистиллированной.










Рис. 14. Перегонный куб.




Однако и очищенная такой перегонкой вода всё ещё недостаточно чиста, — она содержит и летучие органические вещества, которые перегоняются вместе с водой, и растворённый воздух. Кроме того нужно помнить, что вода — весьма активное химическое вещество. Хотя и в незначительной степени, вода разъедает стенки металлических сосудов. Разъедает или, как говорят, «выщелачивает» вода и стекло, и фарфор.

Освободиться от летучих органических веществ не представляет труда: в перегонный куб добавляют марганцовокислый калий, легко окисляющий эти вещества в нелетучие соединения. Но избежать действия воды на стенки перегонного аппарата из обычного материала нельзя. Поэтому воду, полученную после первой перегонки с марганцовокислым калием в обычном аппарате (медном, лужёном, оловянном, стеклянном или фарфоровом), вновь перегоняют, пользуясь приборами, сделанными из платины, на которую вода не действует.

Полученная таким путём вода содержит в себе только растворённый воздух. Для удаления его воду долго кипятят, а затем охлаждают в безвоздушном пространстве. Такая вода уже совершенно чиста. Хранится она в запаянных платиновых сосудах, без доступа воздуха.

Как видите, получение совершенно чистой воды — довольно сложная и дорогая операция. Однако при изучении свойств воды подобной очистки избежать нельзя.

Совершенно чистая вода имеет неприятный вкус. Поэтому дистиллированную воду не применяют для питья. Кроме того дистиллированная вода вредна для организма: продолжительное употребление воды, лишённой солей, понижает солевой состав клеточного сока и приводит иногда к тяжёлым заболеваниям. Тем не менее в некоторых случаях перегонкой пользуются для получения питьевой воды. Например, в Баку, где грунтовые воды загрязнены нефтью, водопроводная сеть одно время питалась перегнанной морской водой. Однако к этой воде специально добавляли соли и насыщали её воздухом.




14. Вода в химии


Вода как растворитель имеет громадное значение и в промышленности, и в быту. Трудно найти какое-нибудь производство, в котором вода не использовалась бы как растворитель. Возьмём, например, производство сахара. Горячая вода извлекает из тонких стружек сахарной свёклы сахар; затем после очистки раствор упаривается, и из него выделяются кристаллы сахара. Без воды работа сахарного завода немыслима. Невозможно себе представить выделку кожи, травление и крашение различных тканей, мыловарение и множество других производств без использования водных растворов различных веществ.

Вода как растворитель представляет особенно большой интерес для химии.

Химики очень часто применяют воду для очистки получаемых ими продуктов. Эта очистка основана на том, что большинство веществ растворяется в горячей воде лучше, чем в холодной. Так, например, в 100 граммах воды при температуре в 100 градусов растворяется 342 грамма едкого натрия, а при 20 градусах 109 граммов, при 100 градусах в том же количестве воды растворяется 291 грамм борной кислоты, а при 20 градусах около 40 граммов. Желая получить чистое вещество, поступают так. Загрязнённое вещество растворяют в воде до тех пор, пока не получится насыщенный раствор, т. е. такой, в котором вещество больше уже не растворяется. Затем фильтрованием удаляют нерастворимые примеси и охлаждают жидкость. При этом образуется пересыщенный раствор, из которого по мере понижения температуры выпадает всё больше и больше чистых кристаллов вещества. Растворимые же примеси остаются в растворе. Растворение и кристаллизацию повторяют несколько раз, в зависимости от того, насколько чистый продукт надо получить. Если растворимость изменяется с повышением температуры незначительно (как, например, у поваренной соли: при 100 градусах в 100 граммах воды растворяется 39, 1 грамма соли, а при нуле градусов 35, 6 грамма), растворы упаривают. Так получают, например, выварочную соль.

Однако вода ценна не только как средство для очистки веществ. Очень часто она играет незаменимую роль как единственно возможная среда для протекания тех или иных химических процессов.

Одним из условий возникновения реакции является столкновение участвующих в ней молекул. В случае, если взаимодействуют газообразные вещества или жидкости, такое столкновение осуществляется легко: молекулы газов и жидкостей достаточно подвижны. Но как провести реакцию между твёрдыми веществами? Ведь в них движение молекул весьма стеснено, так как каждая из молекул закреплена в определённом месте кристалла, где она может только колебаться. Вы можете насыпать в стакан немного соли и лимонной или щавелевой кислоты, но реакции между ними не дождётесь: эта смесь может простоять без всяких изменений сколь угодно долго. Как же быть? Здесь на помощь снова приходит вода. Прибавьте в тот же стакан воды. Сода и кислота растворятся в воде, и мельчайшие частички их получат возможность сталкиваться друг с другом. Между ними моментально начнётся химическая реакция, которую легко заметить по выделению из раствора пузырьков одного из продуктов реакции — углекислого газа.

Известно, что очень крепкую серную кислоту можно свободно перевозить в стальных цистернах — корпус цистерны ею не разрушается. Но если серная кислота разбавлена водой, стальные цистерны использовать уже нельзя, так как водный раствор серной кислоты легко разъедает железо.

Вещества не взаимодействуют друг с другом, если они не растворены, — гласит старинное правило химиков.

Вода отличается ещё одним важным свойством: она сама способна соединяться с очень многими веществами, быть активным участником различных химических процессов.

Вода способна соединяться с простыми веществами как металлами, так и неметаллами.

Например, неметалл хлор даёт с водой смесь кислот: соляную и хлорноватистую. Если хлор пропускать через воду, к которой прибавлен едкий натр, то в результате реакции получается "жавелевая вода", хорошее белящее средство.

С натрием, калием и некоторыми другими металлами вода бурно взаимодействует. При этом получаются едкие щёлочи и выделяется газ водород.

Вода вступает в реакции и со многими сложными веществами. Мы здесь укажем только несколько примеров этих реакций, приводящих к образованию очень важных в химической промышленности веществ — оснований (или гидроокисей) и кислот.

Всем знакома негашёная известь. Это — соединение металла кальция с кислородом или окись кальция. Её получают накаливанием известняка и используют в качестве строительного материала. Если негашёную известь облить водой, то вода химически соединится с нею. Этот процесс называется гашением, а получающийся продукт — гашёной известью или гидроокисью кальция. Она находит широкое техническое применение.

Таким же способом — соединением окислов металлов с водой — могут быть получены и многие другие гидроокиси.

При взаимодействии воды с неметаллическими окислами получаются также необходимые для промышленности продукты — кислоты. Так, окисел азота (двуокись), растворяясь в воде, образует азотную и азотистую кислоты. Эта реакция используется в химической промышленности для получения азотной кислоты. Она же приводит к образованию аммиачной селитры из аммиака, воды и азота в воздухе во время грозы.

Не менее важна реакция между водой и трёхокисью серы: продукт этой реакции — серная кислота, имеющая применение во многих отраслях промышленности.

Во всех перечисленных здесь веществах, которые образуются при участии воды, вода входит в состав вещества как неотъемлемая часть. Это — так называемая конституционная вода. Выделить конституционную воду, не разрушая вещества, нельзя.

Но есть такие соединения веществ с водой, в которых взаимодействующие молекулы сохраняют некоторую самостоятельность. Это — так называемые кристаллогидраты. Они получаются при кристаллизации веществ из водных растворов. Частицы растворённого вещества прочно удерживают около себя молекулы воды, и эти молекулы полностью или частично входят в состав выделяющихся из раствора кристаллов.

Содержащаяся в кристаллах вода, кристаллизационная вода, находится в соединении с молекулами вещества в строго определённых количествах. Так, в кристаллах медного купороса каждая молекула купороса связывает одну, три или пять молекул воды, в кристаллах соды — десять молекул, в кристаллах азотнокислого олова — двадцать молекул воды. Поваренная соль, сахар и многие другие вещества кристаллизуются без воды. Исследования тепловых, электрических и других свойств кристаллогидратов показали, что кристаллизационная вода ведёт себя как твёрдое вещество.

Многие кристаллогидраты непрочны. Так, например, сода теряет свою кристаллизационную воду, находясь просто в воздухе: её прозрачные кристаллы мутнеют и рассыпаются в порошок. Кристаллы медного купороса теряют 80 процентов воды при нагревании до 100 градусов, а остальные 20 процентов только при 240 градусах. При этом синие кристаллы превращаются в белый порошок.

Процесс потери кристаллизационной воды называется выветриванием.

Некоторые безводные кристаллы очень жадно притягивают к себе воду, причём притягивают её в гораздо большем количестве, чем это нужно для образования соответствующего кристаллогидрата; в результате этого они расплываются. Так расплываются поташ, хлористый кальций. Эти вещества используются как поглотители влаги при высушивании различных веществ.

Нам осталось сказать ещё об одном важном для химии свойстве воды — о её способности ускорять течение различных реакций.

Многие химические реакции протекают с неизмеримо малой скоростью, но в присутствии даже ничтожных количеств определённых веществ идут в сотни и тысячи раз быстрее. Вещества, которые ускоряют течение химической реакции, но сами не входят в состав конечных продуктов реакции, называются катализаторами. К числу катализаторов относится и вода, причём каталитическое действие её весьма разносторонне.

Мы знаем, что железо на воздухе ржавеет, что гремучий газ при нагревании взрывается, плавиковая кислота разъедает стекло, натрий и фосфор быстро окисляются на воздухе, хлор активно действует на металлы… Но оказывается, что во всех этих случаях катализатором является вода. При полном отсутствии влаги скорость этих процессов ничтожна. Сухой гремучий газ, например, не взрывается даже при значительном нагревании, а железо в воздухе, лишённом воды, становится таким же устойчивым, как золото или платина.

Можно сказать, что если бы вода не обладала каталитическим действием, мы составили бы совершенно иное представление о химических свойствах окружающих нас веществ.




15. Белый и синий уголь


Каждый знает, что поднять ведро воды на второй или третий этаж нелегко. Работу, которую нужно затратить на подъём груза вертикально вверх, в физике подсчитывают так: величину действующей силы умножают на пройденный телом путь. Если ведро с водой весит 10 килограммов и его надо поднять на высоту 5 метров, то для этого должна быть затрачена работа 10 × 5 = 50 килограммометров. Здоровый человек совершит эту работу без особых затруднений. Однако, если ему придётся без отдыха совершать такую прогулку вверх и вниз раз десять, он почувствует усталость.

Работа, затрачиваемая на подъём воды, не пропадает: поднятая на определённую высоту вода заключает в себе больше энергии, чем та же вода, находящаяся внизу. При падении воды эта энергия может быть снова превращена в работу. Обратите внимание, как падающие с крыши капли дождевой воды со временем проделывают на земле или даже на каменной панели целые канавки. "Вода камень точит" — метко говорит пословица.

А какую поистине грандиозную работу совершает вода в природе! Миллионы миллионов тонн воды в виде дождя и снега падают ежегодно на землю с высоты сотен метров. И если бы мы попыталась подсчитать, сколько энергии таит в себе вся эта вода, собранная в одну тучу на высоте в 1 километр, то увидели бы, что для получения такого количества энергии необходимо сжечь миллиарды тонн нефти.

И эта энергия не пропадает бесследно для земли — с течением времени вода сильно изменяет её облик.

Вы, конечно, видели овраги, бороздящие наши равнины. Это результат действия воды. Начиная, может быть, с маленькой колеи, оставленной колесом телеги, вода медленно, но настойчиво размывает почву и прорывает в конце концов глубокий овраг.

Тонны земли уносят в моря воды рек, размывающие берега и дно.

Подземная вода роет себе дорогу в горных породах, вымывая миллионы кубических метров камня, создавая огромные пустоты в виде пещер, вызывая оползни и обвалы.

А ливни, особенно весной, в горах! В июле 1921 года город Алма-Ата испытал последствия такого ливня. У истоков реки Алмаатинки тогда ещё лежал снег. Прошёл ливень. Большой оползень запрудил русло реки выше города. Через несколько часов напор воды прорвал эту плотину, и на город ринулась лавина из воды, гальки, громадных валунов, деревьев и обломков, смытых в верховьях строений (рис. 15).










Рис. 15. Вода принесла на улицы Алма-Аты огромные камни.




Нельзя ли разрушительную силу воды превратить в силу созидающую, заставить падающую воду служить человеку?

Использовать всю энергию природной воды, конечно, не представляется возможным. Но часть её может быть поставлена на службу человеку. Это — энергия быстро текущих рек и водопадов, энергия так называемого "белого угля". Только одни наиболее крупные реки и водопады на всём земном шаре могут дать в одну секунду столько энергии, сколько получается от сжигания почти двухсот тонн нефти. Вот какое богатство представляет вода, текущая с возвышенностей суши к морю! И это богатство неистощимо, оно непрерывно восполняется. Но чтобы воспользоваться им, человек должен был научиться управлять по своему желанию огромными массами воды: направлять бурные потоки в определённые русла и заставлять падающую воду совершать полезную работу. Прошли века упорного труда, прежде чем человеку удалось подчинить своей воле водную стихию.

Чтобы проследить историю использования водных сил в нашей стране, нам придётся заглянуть в седую старину. Много веков назад на Руси строились водяные мельницы — мукомольные (рис. 16), крупорушки, суконовальни. В XVII–XVIII веках водяные колёса стали использоваться на медеплавильных и доменных заводах, и к концу XVIII века в России было уже более трёх тысяч «вододействующих» предприятий. Русские "водяные люди" умели сооружать прочные плотины, стойко выдерживающие напор весенних вод. На Урале и теперь действуют плотины, созданные 200 лет назад замечательными русскими мастерами.










Рис 16. Старинная русская мельница (по рисунку XVIII века).




В начале XVIII века в России началось сооружение каналов. Пётр I создал первый водный путь, соединивший Каспий с Балтийским морем. Решив построить канал в Вышнем Волочке, между Тверцой и Цной (для соединения Волги с бассейном Балтики), Пётр I выписал из Голландии шлюзовых мастеров. Амстердамские инженеры в 1709 году выполнили работу, но выполнили её очень плохо: канал оказался слишком мелким, чтобы по нему могли проходить крупные суда. Прошло десять лет. Русский строитель Михаил Иванович Сердюков начал по собственному проекту работу на канале. Сердюков соорудил регулирующее водохранилище, шлюзы и каналы и в 1722 году успешно закончил дело. К середине XVIII века по новому водному пути ежегодно шло до 12 миллионов пудов товаров.

Для развития русской гидротехники много сделал замечательный строитель Козьма Дмитриевич Фролов. Обычно заводы строились непосредственно у плотин, причём каждое водяное колесо приводило в действие какой-нибудь один механизм: молот, мельницу, воздуходувные мехи и т. д. В 1763–1765 годах на Алтае, на речке Корбалихе Фролов соорудил плотину нового типа и направил воду речки в длинный канал, вдоль которого построил три завода для измельчения и промывки руд, содержащих серебро и золото. Этим удалённым от русла Корбалихи заводам уже не угрожало половодье, столь страшное для заводов, построенных близ плотины. Кроме того, Фролов впервые в мире превратил водяной двигатель в центральный мотор, соединённый с помощью приводов со всеми рабочими и транспортными механизмами предприятия.

Заводы Фролова явились прообразом самого совершенного из современных предприятий — завода-автомата.

В восьмидесятых годах XVIII века на Алтае, на Змеиногорском руднике Фролов построил подземную гидросиловую установку. Вода от сооружённой Фроловым плотины, на речке Змеевке (эта плотина работает и ныне) проходила путь в 2200 метров и приводила в движение водяное колесо лесопильной мельницы и гигантские водоподъёмные и рудоподъёмные подземные колёса. Установка Фролова является самым совершенным инженерным сооружением XVIII века.

По масштабам использования водяной энергии Россия долго была одной из передовых стран. Русские учёные и инженеры внесли большой вклад в развитие гидроэнергетики и гидротехники. Среди них и великий русский учёный М. В. Ломоносов и его современники петербургские академики Д. Бернулли и Л. Эйлер, а в более позднее время — В. Ф. Добротворский, Б. Е. Веденеев, Г. О. Графтио, И. Г. Александров, Б. Р. Бахметьев, В. Е. Тимонов и др.

Однако к началу XX века Россия сильно отстала от Западной Европы. В это время энергия падающей воды стала использоваться для получения электрической энергии.

В 1917 году у нас было всего три гидроэлектростанции с общей мощностью около пяти тысяч киловатт, в то время как гидроэлектростанции Европы давали четыре миллиона киловатт.

С первых же дней победы Великой Октябрьской социалистической революции В. И. Ленин выдвинул задачу электрификации страны: "Только тогда, когда страна будет электрифицирована, когда под промышленность, сельское хозяйство и транспорт будет подведена техническая база современной крупной промышленности, только тогда мы победим окончательно". В годы гражданской войны по замыслу В. И. Ленина был разработан план электрификации нашей Родины, план ГОЭЛРО. По этому плану больше одной трети электрической энергии должен давать "белый уголь".

По плану ГОЭЛРО за 15 лет нужно было выстроить девять крупных электростанций. К 1935 году Советский Союз имел их девятнадцать. В 1926 году дал ток в город Ленина первенец советской гидротехники — Волховская гидроэлектростанция. В 1932 году вступила в строй крупнейшая в Европе Днепровская гидростанция (рис. 17). С 1928 года до начала Великой Отечественной войны было построено 39 гидроэлектростанций. В настоящее время общая мощность советских гидроэлектростанций превышает 20 миллионов киловатт.










Рис. 17. Плотина Днепровской гидроэлектростанции.




Ни в какой другой стране нет таких запасов "белого угля", как у нас. Мы обладаем одной шестой частью его мирового запаса. Это больше, чем во всех государствах Западной Европы, вместе взятых. Преимущества "белого угля" перед другими источниками энергии огромно — электроэнергия, полученная на гидростанциях, в несколько раз дешевле электроэнергии, которую дают, например, тепловые станции.

Есть в природе ещё одни явления, которые могут быть для нас поставщиком громадных количеств энергии, — это морские приливы или, как иногда говорят, "синий уголь". В приливах участвуют большие массы воды (в некоторых местах разница между уровнями полной и малой воды превышает 15 метров). По величине энергии "синий уголь" во много раз превосходит "белый".

Использование мощных запасов этой энергии представляется очень заманчивым.

Известно много проектов гидроэлектростанций с применением "синего угля", однако до сих пор "синий уголь" нигде не используется в крупных масштабах. Связано это с тем, что подъём воды совершается в море два раза в сутки, и сооружение электростанций, использующих этот подъём, очень сложно и дорого. Кроме того, станции часто пришлось бы строить там, где нет близко ни городов, ни промышленных центров, ни других крупных потребителей электроэнергии.

В Северном Ледовитом океане и в Тихом океане, омывающим северные и восточные берега нашей родины, наблюдаются большие приливы, но в Балтийском, Чёрном и Каспийском морях они почти неуловимы и не имеют практического значения. В настоящее время сила приливов используется в основном в судоходстве — для входа больших морских кораблей в устья рек и для подъёма судов в доки.




16. Вода и жизнь


Там, где есть жизнь, всегда есть вода. Жизнь без воды невозможна. Это и заставило наших предков справедливо считать, что вода появилась раньше, чем возникла на земле жизнь.

Несомненно, что вода была колыбелью первых живых существ Земли. В первородном океане, который образовали горячие ливни на остывшей Земле, возникли из простых веществ белки и другие сложные соединения, послужившие материалом для построения первых живых организмов.

Какое бы животное или растение мы ни взяли, в него всегда входит вода, как одна из главных составных частей. Обитатели водоёмов, как правило, содержат в себе больше воды, чем жители суши. В теле рыб, например, находится до 70–80 процентов воды, а в медузе — больше 95 процентов. В травянистых растениях суши процент воды доходит до 85. Организмы млекопитающих животных содержат воды меньше. Так, например, средний состав человеческого тела таков: воды 65 процентов, белка 15 процентов, жира 14 процентов, солей 5 процентов, других веществ 1 процент. Если человек весит 60 килограммов, то в его теле содержится около 40 литров воды. Половину веса костей и три четверти веса мышц составляет вода.

Только в семенах и спорах заключено очень мало воды, всего от 7 до 15 процентов. Почти лишённые воды, эти организмы таят жизнь в скрытом, внешне ничем не проявляющемся состоянии. Однако достаточно семена бросить во влажную почву или даже поместить в насыщенный водяными парами воздух, как они набухнут и дадут ростки. Многие обитатели высохших водоёмов (луж) также находятся в подобном состоянии: первый же дождик пробуждает их к жизни.

Какую же роль выполняет в живом организме вода?

Питательные вещества попадают в нашу кровь через стенки пищеварительного канала. Через эти стенки могут проникать только вещества, растворённые в воде, только жидкости. Если бы кусок сахара не растворился в слюне и в желудочном соке, сахар не попал бы в кровь. Белок яйца, крахмал хлеба и картофеля не растворяются в воде, но желудочный и кишечный соки содержат особые вещества — ферменты, которые расщепляют белок и крахмал и переводят в вещества растворимые. Это расщепление идёт только в воде. Кровь, состоящая на четыре пятых из воды, разносит питательные вещества по всему организму. В каждой клетке организма идут свои процессы, и эти процессы неизменно связаны с присутствием в клетке воды. Таким образом вода нужна для нашего организма как растворитель питательных веществ и как среда, в которой протекают различные процессы, связанные с нашей жизнедеятельностью. Выделяясь потовыми железами и испаряясь с поверхности кожи, вода регулирует температуру нашего тела. Кроме того вода необходима для выведения из организма различных вредных веществ, образующихся в результате обмена.

Таким образом мы видим, что вода в живом организме, как и в природе, не находится в покое. Всё новые и новые количества её поступают в организм с пищей и такие же количества выделяются.

То же самое можно сказать и о растениях. Вода доставляет растениям из почвы пищевые вещества и в известной мере регулирует температуру растений, — испаряясь с поверхности листьев, она предохраняет их от перегрева в летний зной. Начиная от момента прорастания семени, растение всё время должно получать влагу. Для одного растения подсолнечника за всё время его роста нужно около 40 литров воды. Крупное дерево поглощает такое же количество воды за один день. Растительность суши, как мощный насос, выкачивает воду из почвы и испаряет её в воздух с поверхности своих листьев.

Потребность в воде у различных животных также не одинакова. Некоторые из них довольствуются очень малыми количествами воды, другие же, наоборот, требуют воды в изобилии. Амбарный долгоносик, например, проводит жизнь в сухом ссыпанном зерне, в котором влаги всего около 12 процентов. Это насекомое, употребляя в пищу сухое зерно, вероятно, задерживает часть даже той воды, которая выделяется в его теле, как и во всяком другом, в процессе обмена веществ и при дыхании. Иное дело, например, тли. Они питаются очень разбавленными соками растений. Чтобы получить достаточное количество пищи, они должны пропустить через свой организм большую массу воды. Организм тли устроен так, что вода в нём долго не задерживается и покидает тело, уступая место новым порциям питательного сока.

Ни одно живое существо не может жить в абсолютно сухом пространстве и не может оставаться живым, лишившись всей воды. Каждый организм может потерять только вполне определённую часть содержащейся в нём воды. Например, дождевые черви, высушенные настолько, что в них остаётся лишь 57 процентов воды, замирают, но ещё могут ожить, получив воду. Когда же черви теряют половину всей воды, они уже умирают.

Количество воды, необходимое для живых существ Земли, огромно. Ведь во всех животных и растениях земного шара заключены тысячи миллиардов тонн воды (в среднем — две трети от их общего веса). В течение года каждый организм потребляет количество воды, во много раз превышающее его вес. И весьма вероятно, что за немногие сотни лет через все живые существа проходит столько воды, сколько её есть на нашей планете.




Заключение


Рассказанное на этих немногих страницах является лишь незначительной частью того, что можно было бы сказать о воде. Но даже и такой краткий очерк должен вызвать у читателя картину исключительного разнообразия явлений, в которых участвует вода. Примеры, приводимые здесь как иллюстрации отдельных свойств воды, могут быть приумножены каждым читателем, если он достаточно вдумчиво наблюдает природу.

Знание основных свойств воды помогает нам глубже понять многие явления, с которыми нас постоянно сталкивает жизнь. Эти знания вооружают человека в его борьбе за покорение природы.

Было время, когда человек был бессилен перед водной стихией. Дождевые ручьи вели свою медленную разрушительную деятельность на его полях, прорывая глубокие овраги. Весенние воды и ливни отнимали у него самую плодородную почву, размывая и унося её с собой. Неисчислимые бедствия приносили человеку наводнения.

Теперь человек научился сопротивляться этим грозным силам. Он узнал, что лучшим защитником почвы от разрушающего действия воды является густой растительный покров: корни деревьев, кустов, трав скрепляют рыхлые массы земли и препятствуют быстрому течению воды и размыву почвы.

В царской России с усмиряющей водные потоки ролью лесов мало кто считался. Леса вырубались хищнически, вырубались везде, где это было выгодно лесопромышленникам: зачем им надо было думать о том, что чьи-то поля, лишённые этой естественной защиты, будут страдать?

Но вот пришла Великая Октябрьская социалистическая революция. Не успели умолкнуть последние выстрелы гражданской войны, как государство трудящихся повело с водной стихией самую ожесточённую борьбу. Внеплановая рубка леса была прекращена. Лесные массивы спокойно стоят теперь на страже колхозных полей. Против опасных паводков воздвигаются плотины, замедляющие движение воды и направляющие её по новым руслам в искусственные водохранилища. А когда молодые посевы начинают испытывать жажду, эта собранная впрок вода подаётся по каналам для орошения полей. Те же водохранилища питают мощные гидроэлектростанции. Так социалистическое хозяйство нашей Родины превращает водную стихию в покорную и полезную силу.

Растущие города Советского Союза, развивающаяся промышленность требуют больших количеств чистой воды и они её получают в изобилии.

Но водоснабжение городов — это только половина задачи. Более трудная часть её — это «водоснабжение» полей. Необходимым условием нормального развития растений является достаточное количество воды. Все знают, каким бичом для сельского хозяйства является засушливое лето. Засуха приводит к недороду, а иногда и к полной гибели посевов. Она представляла одно из самых страшных народных бедствий в прошлом нашей страны. В условиях царской России борьба с засухой ограничивалась главным образом введением паровой системы земледелия и мерами обработки почвы, без вмешательства в условия природы, без коренного изменения природы и подчинения её требованиям человека.

Передовые русские учёные, изучив причины периодически повторяющихся засух в России, разработали новую травопольную систему земледелия, которая если не предотвращает, то в значительной мере снижает губительное действие засух. Но в помещичье-капиталистической России невозможно было претворить в жизнь важные научные открытия и предложения учёных. Раздробленность мелких крестьянских хозяйств и частное землевладение делали человека беспомощным против засухи.

С приходом Советской власти борьба с засухой сразу приняла иной характер, превратившись в задачу большой государственной важности. Социалистическая реконструкция сельского хозяйства на основе сплошной коллективизации открыла совершенно новые пути для борьбы с засухой. Невиданной по масштабам программой наступления на засуху является сталинский план преобразования природы, нашедший своё отображение в историческом постановлении Совета Министров СССР и ЦК ВКП(б) "О плане полезащитных лесонасаждений, внедрения травопольных севооборотов, строительства прудов и водоёмов для обеспечения высоких и устойчивых урожаев в степных и лесостепных районах Европейской части СССР".

Это постановление является величайшей в истории человечества программой борьбы с природой, основанной на научных выводах передовой русской агрономической науки, на работах крупнейших её представителей: В. В. Докучаева, П. А. Костычева, А. А. Измаильского, К. А. Тимирязева, В. Р. Вильямса, И. В. Мичурина, Т. Д. Лысенко и других.

Зелёные стены лесных насаждений на площади в 120 миллионов гектаров станут препятствием для бурного внешнего стока воды и размыва почвы. Летом они преградят дорогу горячим восточным ветрам — суховеям, а зимой будут задерживать на полях снег, ранее сдувавшийся ветрами в низины, балки и овраги. Задержание снега на полях в свою очередь предохранит почву от промерзания, а медленное спокойное таяние снега позволит почве впитать больше влаги. За время с 1949 по 1955 год у нас появится больше 40 000 прудов и водоёмов. Они будут иметь огромное значение для народного хозяйства.

Только у нас, в стране победившего социализма, возможно проведение работ в таких необычайных масштабах.

Можем ли мы, однако, сказать сейчас, что знаем о воде всё? Нет. Каждый день исследований приносит науке новое, помогает человеку глубже понять природу, раскрывает перед ним новые связи между изучаемыми явлениями. О воде мы знаем многое. Но до сих пор остаётся неизвестным, как же построена сама жидкая вода, как соединяются друг с другом в жидкости отдельные молекулы воды.

Совсем недавно, менее двадцати лет назад, была открыта новая вода. Она состоит также из водорода и кислорода, но водород в ней не такой, как в обыкновенной воде — атомы его в два раза тяжелее. Поэтому новая вода и была названа тяжёлой. Свойства её отличны от свойств воды обыкновенной, и изучение её представляет огромный интерес и для химии, и для биологии, и для физики. Тяжёлая вода участвует в решении проблемы использования атомной энергии.

В настоящее время мы не можем считать воду до конца изученным веществом. Познание воды, как и всякого другого вещества, как и материи, бесконечно. Завтрашний день расскажет нам ещё много нового о воде.

В книге "Материализм и эмпириокритицизм" В. И. Ленин писал: "Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет ещё больше, увеличивая тем свою власть над ней". И это с полным правом мы можем повторить по отношению к изучению воды.









Содержание


Введение … 3

1. Сколько воды на земле? … 4

2. Круговорот воды в природе … 7

3. Молекула воды … 10

4. Как замерзает пруд … 15

5. Почему лёд не тонет в воде? … 17

6. Горячий лёд … 21

7. Единица теплоты … 22

8. Быстро ли тает лёд? … 27

9. Невидимый переносчик тепла … 29

10. Холодный кипяток … 32

11. Можно ли нагреть тело, отнимая от него тепло? … 34

12. Есть ли в природе чистая вода? … 37

13. Как получить чистую воду … 40

14. Вода в химии … 48

15. Белый и синий уголь … 53

16. Вода и жизнь. 59

Заключение … 61










notes



Примечания





1


Подробнее об атмосферных осадках см. брошюру серии "Научно-популярная библиотека": Б. Л. Дзердзеевский "Воздушный океан".




2


Подробнее об этом см. брошюру серии "Научно-популярная библиотека" А. М. Рубинштейн "Химия вокруг нас".