В предыдущем разделе мы говорили о том, что вода расширяется под влиянием тепла, или, выражаясь иначе, что то же самое, можно сказать, что вода сжимается от охлаждения. Однако вода в этом отношении представляет редкое исключение и поэтому сильно отличается от большинства остальных тел.
Возьмем бутылку и, наполнив ее водой, закроем пробуравленной пробкой, в которую вставлена стеклянная трубка; такой прибор вполне может служить в качестве термометра (рис. 38).
Когда нагреем бутылку, вода начнет расширяться, подниматься по трубке и наконец течь через край. Если теперь мы поставим бутылку в сосуд, наполненный небольшими кусочками льда, так чтобы лед достигал горлышка бутылки, то заметим, что температура воды начнет быстро понижаться и вместе с тем и уровень воды в трубке.
Чем холоднее вола, тем ниже она опустится; если вода находилась в точке А, когда бутылка начала охлаждаться, то при температуре в 4 °С вода будет приблизительно при точке В.
Можно подумать, что при дальнейшем охлаждении зола станет и далее уменьшаться в объеме. Но, к удивлению, это не так. Это значило бы уж слишком широко применять принцип, как это произошло с одним человеком, жена которого принесла в субботу вечером только что изобретенную печь, благодаря которой, как ее уверили, можно легко сэкономить половину топлива. Тогда муж сказал: «В следующую неделю купим еще одну, тогда мы сэкономим все топливо».
В науке мы также часто можем заметить то же самое, что и в повседневных явлениях, а именно, что принцип хорош только в известных пределах. Неоднократно приходилось сталкиваться с тем, что закон или принцип, вполне справедливый при известных обстоятельствах, в частных случаях нуждался в изменении, а в исключительных обстоятельствах бывал и совершенно неприменим. Замерзание воды и является таким исключительным случаем. По-видимому, замерзание заключается в образовании кристаллов, причем молекулы располагаются в кристалле на гораздо больших расстояниях, чем в жидкости.

Аппарат для исследования сжатия и расширения воды

Рис. 38.

Всегда объем льда оказывается на 10% больше объема воды, из которой он образовался. Таким образом, по-видимому, происходит следующее. Приблизительно около 4 °С, когда вода еще недостаточно охладилась, чтобы окончательно перейти в лед, начинается предварительный процесс, который заключается в том, что молекулы стремятся все с увеличивающейся силой образовать новые группы, занимающие больше места. Так расширяется вода все время, пока идет процесс охлаждения от 4 до 0 °С, а при последней температуре, когда вода переходит в лед, она испытывает еще большее расширение. Таким образом, получается замечательный и, по-видимому, противоречивый результат, заключающийся в том, что когда вода в трубке находится при В, то безразлично, будем ли мы воду нагревать или охлаждать. В обоих случаях вода будет расширяться и столб воды в трубке подниматься вверх. Если начать опыт с совершенно наполненной трубкой при 4 °С и один раз довести температуру до точки кипения, а другой раз охладить настолько, чтобы вода превратилась в лед, и затем измерить приблизительно величину расширения в этих двух случаях (собирая воду, переливающуюся через край, гуттаперчевой трубкой), то мы найдем, что при охлаждении воды от 4 °С до 0 °С и последующем замерзании расширение было вдвое больше того, которое было при нагревании воды от 4 °С до 100 °С, т.е. при нагревании на 96 °С.
Это мнимое противоречие, заключающееся в том, что вода от холода и сжимается, и расширяется, очень важно для людей и животных умеренного и холодного пояса. Когда зимой температура воды в прудах и озерах падает до 4 °С, то замерзание ограничивается лишь тонким слоем на поверхности воды. При этом образуются течения, какие уже были описаны в предыдущем разделе, только в данном случае они происходят иным образом. Там эти течения обусловливались нагреванием воды, находящейся над той поверхностью, которой пламя доставляло теплоту. А здесь охлаждается масса воды, лежащая ниже поверхности, подвергнутой действию холода, именно слой воды, лежащий непосредственно под поверхностью пруда. Рис. 39 представляет вертикальный разрез пруда. Вода на поверхности А, подверженная действию холодных ветров или теряющая теплоту вследствие лучеиспускания, сильно охлаждается. Поэтому она уменьшается в объеме, делается тяжелее остальной воды и опускается вниз, вытесняя на поверхность более легкую, теплую воду. Но благодаря соприкосновению с почвой на дне (BCD) охладившаяся вода нагревается, между тем как вода на поверхности становится такой же или еще более холодной, чем вода, находившаяся там первоначально. Следовательно, она стала тоже более тяжелой и теперь, в свою очередь, погружается вниз, вытесняя более теплую воду наверх. Так возникают течения, поддерживающие в воде циркуляцию, пока вся вода не охладится до 4 "С.
Что же тогда произойдет?
Вода, которая была сверху, охладившись до 40С, перестанет сжиматься и при дальнейшем охлаждении начнет расширяться, и поэтому станет «легче». Таким образом, вода, охладившись до 4 °С, не будет более погружаться, а будет «плавать» на поверхности остальной воды, и поэтому описанные течения прекратятся. Скоро верхний слой воды охладится до 0 °С и замерзнет. Однако внизу, при достаточной глубине, вода всегда будет сохранять температуру +4 "С. Расширяющийся при замерзании лед благодаря этому легче воды, и потому он держится на ее поверхности.
Но что могло бы произойти, если бы вода, подобно иным телам, продолжала бы по мере охлаждения сжиматься. Течения, во- первых, не прекратились бы и вода бы на дне замерзла, а во-вторых, если бы образование льда сопровождалось бы еще большим его сжатием, то лед стал бы тяжелее воды и, по мере образования, погружался бы па дно. Образовавшийся позднее лед тоже опускался бы, и следовательно, лед скоплялся бы до тех пор, пока вся вода в пруде не обратилась бы в сплошной лед.
Это явление, конечно, окончилось бы полным истреблением рыб, которые живут теперь в воде подо льдом. А затем и люди, и животные, которые живут в климате, где зимы очень суровы, не могли бы существовать, благодаря недостатку в воде, которая каждую зиму совершенно вымерзала. На помощь, к счастью, явилось расширение, и вода на глубине остается незамерзшей и ее легко добыть, вырубая во льду проруби.
Эта поразительная неправильность в расширении воды играет, таким образом, огромную роль в благосостоянии людей.

Опубликовано в Глава 5. Замерзание и таяние

© 2018 Global - Library . Ru. Все права защищены.
При копировании текста на Ваш ресурс просим указывать страницу - источник.
GlobaL - LibrarY . Ru — Бесплатная интернет библиотека для Вас. По всем вопросам обращаться сюда.