§ 4 Агрегатное состояние воды и фазовые переходы

Вода может находиться в трех агрегатных состояниях или фазах – твёрдом (лёд), жидком (вода), газообразном (водяной пар).

Изменение агрегатного состояния вещества называется фазовыми переходами, которые сопровождаются выделением или поглощением энергии, называемой «скрытой теплотой». Зависимость агрегатного состояния воды от температуры и давления выражается фазовой диаграммой состояния воды (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма состояния воды

I-VIII – различные модификации льда

Рассмотрим эту диаграмму:

а) точка «З», при которой происходит плавление льда или замерзание, кристаллизация воды, при нормальном атмосферном давлении, называется точкой плавления льда или точкой замерзания воды и она соответствует по шкале Цельсия –0⁰ или 237К (по шкале Кельвина). Нормальное давление равно 1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,013×10⁵ Па = 1,013 бар.

При замерзании воды удельный объём увеличивается на 10 %. Точка замерзания при увеличении давления снижается так на максимальных глубинах в океане (около 11 км) давление превышает 1000 атм (10⁸ Па) и Т₃ могла бы быть –12⁰С.

При увеличении давления до 2200 атм (2,2×10⁸ Па) Т₃ уменьшается до – 22⁰С, а при дальнейшем увеличении давления Т₃ быстро возрастает, образуя особые модификации льда (лёд ІІ- VІІІ). Например при давлении 20670 атм вода замерзает при +76⁰С, образуя «горячий лёд».

Продолжаем анализировать фазовую диаграмму:

б) кривая ОБВ носит название кривой плавления. При переходе через эту кривую происходит - слева направоплавление льда; справа налевольдообразование и кристаллизация воды.

в) кривая АО носит название кривой стабилизации или кривой возгонки. При пересечении её сверху вниз и слева направо происходит испарение льда или возгонка, а снизу вверх и справа налево - конденсация пара в твёрдую фазу или сублимация.

г) точка «О» - тройная точка, где вода одновременно находится в трёх состояниях.

д) точка «К» - это точка кипения воды при температуре 100⁰С при нормальном атмосферном давлении.

В чём суть кипения? Что это такое? С поверхности воды, а также льда и снега постоянно отрываются и уносятся в воздух молекулы водяного пара. Идёт испарение воды. Часть этих молекул пара возвращается на поверхность воды – это конденсация водяного пара. Испарение идёт при любой температуре и тем интенсивнее, чем больше дефицит влажности воздуха (например, в пустыне). С ростом температуры упругость водяного пара, насыщающего пространство, растёт, и испарение ускоряется.

Когда интенсивное испарение охватывает не только поверхность воды, но и её толщу, где испарение идёт с внутренней поверхности образующихся при этом пузырьков, начинается процесс кипения. Температура, при которой давление насыщенного водяного пара равно внешнему давлению, называется температурой или точкой кипения (Т_кип.). Она соответствует 100⁰С. Её ещё можно назвать точкой конденсации пара.

Температура кипения находится в прямой зависимости от давления, уменьшаясь с его снижением (это свойство использовалось для определения высоты местности гипсотермометром) и, повышаясь с увеличением (с этим свойством связаны образование гейзеров, формирование местонахождений полезных ископаемых и пр.).

В горах, где давление меньше, вода кипит при температурах ниже 100⁰С.

е) точка «Кр» - так называемая «критическая точка». Соответствует состоянию, когда при росте давления до 2200 атм температура кипения равна 374,2⁰С, и вода одновременно имеет свойства жидкости и газа.

ж) следует отметить также, что температуры кипения и замерзания зависят не только от давления, но и от солёности. Увеличение солёности на каждые 10 промилей (10^о/_оо) снижает температуру замерзания на 0,54^оС. Географическое следствие этого: на глубине 4000-5000 м вода в океанах не замерзает при Т= - 3⁰С.

Основное географическое следствие: аномально высокое значение температуры замерзания и кипения воды предопределили существование на Земле (с её температурным режимом) воды во всех трёх фазах. Это определяет многообразие форм участия воды в различных гидрологических и экзогенно-геологических природных процессах на Земле.