Фізика води
Дві третини поверхні Землі займає вода, маса якої 1,5*1021 кг. Вода здійснює кругообіг у природі. З поверхні морів та океанів вода інтенсивно випаровується, утворюючи хмари. З хмар вона проливається знову на Землю, просочується крізь ґрунт, утворюючи чималих розмірів підземні резервуари прісної води. А з них беруть початок річки. Вода є й у космосі. Дані радіоастрономії свідчать про наявність великих водяних хмар протяжністю десятки астрономічних одиниць (одна астрономічна одиниця дорівнює відстані від Землі до Сонця).
Зважаючи на настільки велику поширеність у природі, вода стала еталоном багатьох фізичних властивостей. Густина та в'язкість її прийняті за одиницю. Температура затвердіння води прийнята за нуль, а кипіння – за 100 градусів (за шкалою Цельсія).
Вода у великій кількості витрачається на повсякденні потреби людини, причому вона має бути прісною та очищеною від усіляких домішок. Ще в Стародавньому Римі водопровід постачав щодня до 3 л чистої води на кожного мешканця. Але якщо говорити тільки про кількість, яку людина повинна вживати щодня для підтримки життя, то це всього 2,5 л. З іншого боку, за 60 років життя людина випиває 50 м³ води – залізничну цистерну.
Вода використовується в різноманітних приладах та пристроях. Вона крутить колеса водяних млинів та ротори гідротурбін. В античній Греції були відомі водяні годинники – клепсидри, аналогом яких є пісочний годинник. Греки ставили клепсидру в суді: обвинуваченому та захиснику відводили однаковий час, який вимірювали за обсягом води, що витікає.
Вода є найкращим розчинником: в ній тією чи іншою мірою розчиняються майже всі неорганічні речовини та чимало органічних речовин. Води Світового океану містять у розчиненому стані понад 60 елементів періодичної системи. Так, золота у Світовому океані міститься стільки, що якщо його повністю витягти, то на кожного жителя Землі дістанеться по три кілограми.
За періодичною таблицею можна передбачити всі властивості будь-якої речовини. Але вода і тут є винятком. При звичайному атмосферному тиску вода повинна була б закипати при -70 градусів за Цельсієм. Тут стоїть саме мінус, а не тире. Тобто вона зобов'язана кипіти на 170 градусів Цельсія нижче, ніж вона закипає насправді. Замерзнути вода повинна при -90 градусів Цельсія, а зовсім не при 0 градусів Цельсія. І лід, що утворився при цьому, мав би одразу тонути, а не плавати на поверхні води. З погано закрученого крана вода не повинна була б капати, а мала б литися тоненьким струмком. А цукор у воді мав би розчинятися повільно та погано – у кращому разі кілька крупинок на склянку води. Так що меду в природі не повинно бути. І солодкий чай, і варення теж немає особливих прав на існування. За охолодження нижче +4 градусів Цельсія вода розширюється. Вона також розширюється при затвердінні, і лід легший за воду. Взимку у водоймищах, ставках, озерах, річках під шаром льоду зберігається аж до великих морозів незатверділа вода з температурою +4 градусів Цельсія, і в цій воді зимують риби. Якби вода не мала такої аномалії, водоймища вимерзли б до дна, і вся риба загинула. Вода має багато інших аномалій. Так в'язкість її зменшується зі зростанням тиску (у всіх інших рідин в'язкість зростає). Швидкість звуку у воді зростає із зростанням температури (у всіх інших рідин вона зменшується). Теплопровідність та діелектрична проникність води більша, ніж у всіх інших рідин. По поверхневому натягу вода посідає друге місце після ртуті, по теплоті плавлення – друге місце після аміаку. Теплоємність води втричі більша, ніж в інших поширених речовин. У разі підвищення температури від 0 до 70–75 градусів Цельсія стисливість води зменшується, тоді як у всіх інших рідин стисливість зростає. За цим показником вона стає схожою на звичайні рідини поблизу температури кипіння.
Розповідь про наступну аномалію води найкраще почати з опису відчуттів недосвідченого мандрівника, який уперше потрапив у пустелю Сахару. Мандрівник, звичайно, припускав, що в пустелі спекотно, але щоб до такої міри... Скоріше зайшло б Сонце і настала довгоочікувана прохолода! І сонце заходить. І справді відразу ж стає прохолодніше. Ще прохолодніше. Зовсім прохолодно. Холодно. Дуже холодно. Скоріше б зійшло сонце... Так, теплоємність води – а тут йдеться саме про цю властивість – набагато перевищує теплоємність переважної більшості інших речовин. У місцевостях, багатих водою, навіть за сильно палючого сонця температура піднімається порівняно повільно: значна частина тепла, що приходить, захоплюється водою. Але й після того, як світило ховається за обрієм, температура в таких місцевостях падає теж повільно: вода поступово віддає повітрі значну кількість тепла, накопиченого нею. Ось чому вона служить чудовим регулятором клімату. Тепер стає зрозумілим, що саме мав врахувати мандрівник, який вирушив до Сахари. Води у Сахарі немає. Натомість є пісок. Теплоємність піску вп'ятеро менша, ніж води. Тому вдень під спекотним сонцем пісок дуже швидко нагрівається - йому для цього тепла потрібно зовсім небагато. Але вночі, віддавши весь свій небагатий запас тепла, швидко остигає. І тому в південних пустелях ночами дуже холодно.
Читач, мабуть, підготовлений до того, що за величиною прихованої теплоти пароутворення вода є абсолютним чемпіоном. Відразу можна відзначити, що ця аномалія, безумовно, корисна. Не май вода такої високої теплоти пароутворення, навряд чи на нашій планеті були б річки та озера, океани – більша частина води, а то й вся знаходилася б у вигляді пари в атмосфері. Хороший був би ландшафт нашої планети, яка не мала б рідкої води, але зате була б оповита щільною і непроникною атмосферою, що складається майже суцільно з пар води! Високе значення прихованої теплоти випаровування води пояснює регулюючу дію води на клімат Землі. Вода випаровуючись охолоджує атмосферу, а проливаючись дощем, нагріває її.
Якщо ми заговорили про лід, то тут природно згадати про одну аномалію води, пов'язану з властивостями саме кристалічної модифікації цієї речовини. Йдеться про аномальну зміну властивостей льоду зі зміною тиску. Ковзаняр так легко котиться по льоду тому, що під тиском, який надають на лід леза ковзанів, лід плавиться і рідка вода, що утворюється, є чудовим мастилом. Про це знають усі. Але не всі знають, що цього не повинно бути. Тому що у всіх інших речовин, скільки їх налічує хімія, за винятком хіба двох-трьох, при підвищенні тиску температура плавлення не знижується, а підвищується. Вода ж навпаки: зниження тиску веде до зниження температури плавлення льоду.
Скажіть, ви ніколи не замислювалися, як вода піднімається від коріння до верхівок високих дерев? Адже відповідно до відомих законів механіки неможливо шляхом створення різниці тисків здійснити мимовільне піднесення води на висоту понад 10 м. Утім, у рослинах природа підйому води інша, капілярна. Відомо, якщо опустити в рідину капіляр, то рідина у ньому підніметься. Підйом цей буде тим більшим, чим менший діаметр капіляра і чим більший поверхневий натяг рідини.
Перелічені дивовижні властивості води вимагають пояснення з якихось єдиних позицій, але ще нікому цього не вдалося зробити. Можна зробити висновок, що проста вода далеко не вивчена речовина.
