Ciepło właściwe, ciepło parowania i gęstość wody

Wyobraź sobie, że jest gorący dzień. Przed chwilą byłeś na słońcu i spociłeś się trochę, więc siadasz i bierzesz szklankę zimnej wody z lodem. Przyglądasz się kroplom potu na ramionach, jak i kostkom lodu unoszącym się w szklance wody. Dzięki Twojej ciężkiej pracy nad zrozumieniem właściwości wody, zdajesz sobie sprawę, że zarówno pot na ramionach, jak i pływające kostki lodu w Twojej szklance, są przykładami niesamowitej zdolności wody do tworzenia wiązań wodorowych

Jak to działa? Cząsteczki wody są bardzo dobre w tworzeniu wiązań wodorowych, słabych wiązań między częściowo dodatnimi i częściowo ujemnymi końcami cząsteczek. Wiązania wodorowe wyjaśniają zarówno skuteczność chłodzenia poprzez pocenie się (dlaczego pocenie się ochładza), jak i niską gęstość lodu (dlaczego lód unosi się na wodzie).

Tutaj przyjrzymy się bliżej wpływowi wiązań wodorowych na zmiany temperatury, zamarzanie i odparowywanie wody.

Woda ma unikalne właściwości chemiczne we wszystkich trzech stanach - ciele stałym, cieczy i gazie - dzięki zdolności jej cząsteczek do tworzenia wiązań wodorowych ze sobą. Ponieważ żywe istoty, od ludzi po bakterie, charakteryzują się wysoką zawartością wody, zrozumienie unikalnych właściwości chemicznych wody w jej trzech stanach skupienia jest kluczem do zrozumienia biologii.

W wodzie w stanie ciekłym wiązania wodorowe są stale tworzone i zrywane, podczas przemieszczania się cząsteczek wody między sobą. Zerwanie tych wiązań jest zależne od energii związanej z ruchem (energii kinetycznej) cząsteczek wody uwarunkowanej od ciepła zawartego w układzie.

Kiedy ilość ciepła rośnie (na przykład podczas gotowania wody), wyższa energia kinetyczna cząsteczek wody powoduje całkowite zerwanie wiązań wodorowych i pozwala cząsteczkom wody na ucieczkę w postaci gazu. Obserwujemy ten gaz jako mgiełkę lub parę wodną.

Z drugiej strony, gdy temperatura spada i woda zamarza, cząsteczki wody tworzą strukturę krystaliczną utrzymywaną przez wiązanie wodorowe (ponieważ jest zbyt niska energia cieplna, aby zerwać wiązania wodorowe). Ta struktura sprawia, że lód jest mniej gęsty niż woda w stanie ciekłym.

Mniejsza gęstość wody w postaci stałej wynika ze sposobu, w jaki układają się wiązania wodorowe w trakcie zamarzania wody. Mówiąc konkretnie, w lodzie cząsteczki wody są odpychane dalej niż w wodzie w stanie ciekłym.

Oznacza to, że woda zwiększa objętość, gdy zamarza. Być może widziałeś to na własne oczy, jeśli kiedykolwiek włożyłeś do zamrażarki zamknięty szklany pojemnik zawierający głównie płynne jedzenie (zupę, napój itp.), w wyniku czego pękł lub wybuchł, gdy woda zamarzła i zwiększyła swoją objętość.

W przypadku większości innych cieczy, krzepnięcie - które zachodzi, gdy temperatura spada i energia kinetyczna (ruch) cząsteczek jest zmniejszona - umożliwia cząsteczkom upakowanie bardziej ciasno niż w stanie ciekłym, co skutkuje tym, że ciało stałe ma większą gęstość niż ciecz. Woda jest anomalią (czyli dziwnym wyjątkiem) w tym, że ma mniejszą gęstość jako ciało stałe.

Ponieważ lód jest mniej gęsty, unosi się na powierzchni wody, co możemy zaobserwować w przypadku góry lodowej czy kostek lodu w szklance mrożonej herbaty. W jeziorach i stawach na powierzchni wody tworzy się warstwa lodu, tworząc barierę izolacyjną, która chroni zwierzęta i rośliny przed zamarznięciem.

Dlaczego zamarznięcie żywych stworzeń jest niebezpieczne? Możemy to zrozumieć, wspominając przypadek pękającej butelki z napojem w zamrażarce. Kiedy komórka zamarza, jej ciekła zawartość zwiększa objętość, a jej błona komórkowa (podobnie jak butelka z napojem) rozrywa się na kawałki.

Zwiększenie temperatury wody w stanie ciekłym wymaga dostarczenia dużej ilości ciepła, ponieważ część ciepła musi zostać wykorzystana do zerwania wiązań wodorowych między cząsteczkami. Innymi słowy, woda ma wysokie ciepło właściwe, które jest definiowane jako ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury jednego grama substancji o jeden stopień Celsjusza. Ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 g wody o 1 °C ma swoją własną nazwę kaloria.

Ze względu na wysoką pojemność cieplną, woda charakteryzuje się wolnymi zmiany temperatury. Na przykład ciepło właściwe wody jest około pięć razy większe niż piasku. Po zachodzie słońca ziemia ochładza się szybciej niż morze, a wolno schładzająca się woda może w nocy oddawać ciepło pobliskim lądom. Woda jest również wykorzystywana przez stałocieplne zwierzęta do rozprowadzania ciepła w ich ciałach: działa podobnie do układu chłodzenia samochodu, przenosząc ciepło z ciepłych miejsc do chłodnych miejsc, pomagając ciału utrzymać stałą temperaturę.

Podobnie jak potrzeba dużej ilości ciepła do podniesienia temperatury wody w stanie ciekłym, tak i parowanie pewnej ilości wody wymaga dostarczenia niebywałej ilości ciepła, ponieważ muszą zostać zerwane wiązania wodorowe, aby cząsteczki mogły odłączyć się już jako gaz. Oznacza to, że woda ma wysokie ciepło parowania, które określa ilość energii potrzebnej do zamiany jednego grama ciekłej substancji w gaz w stałej temperaturze.

Ciepło parowania wody wynosi około 540 cal/g w 100 °C, temperaturze wrzenia wody. Zauważ, że niektóre cząsteczki wody - te, które mają wysoką energię kinetyczną - uciekną z powierzchni wody nawet w niższych temperaturach.

Gdy cząsteczki wody parują, powierzchnia, z której odparowują, staje się chłodniejsza, co nazywa się chłodzeniem przez odparowanie. Jest to związane z tym, że cząsteczki o najwyższej energii kinetycznej są tracone podczas parowania (więcej informacji możesz znaleźć w filmiku na temat chłodzenia przez odparowanie. U ludzi i innych organizmów odparowanie potu, który składa się w około 99% z wody, chłodzi ciało w celu utrzymania stałej temperatury.