Б. Суслов - Вода
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]). 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.
