Одна кухня, три разные вещи
Зимой принеси с улицы сосульку и положи её в тарелку. Через час в тарелке будет вода. Вылей воду на горячую сковородку — она зашипит и исчезнет.
Сосулька твёрдая, холодная, её можно уронить, и она разобьётся. Вода течёт и принимает форму стакана. Пар вообще невидимый и разлетается по кухне.
Три совершенно разные вещи. Но если поймать этот пар и охладить, снова получится вода, а из неё — снова лёд. Ни одна молекула при этом не изменилась и не пропала. Молекула воды в сосульке и молекула воды в паре — одинаковые, до последнего атома.
Меняется только одно: насколько быстро они шевелятся.
Температура — это скорость
Вот идея, которая объясняет всю статью. Молекулы никогда не стоят на месте. Они постоянно дёргаются, толкаются и вертятся. Температура — это мера того, как быстро они это делают.
Горячо — значит молекулы носятся быстро. Холодно — значит еле шевелятся.
Теперь посмотрим, что происходит, когда мы нагреваем лёд.
В твёрдом состоянии молекулы стоят рядами, как кирпичи в стене, и только подрагивают на своих местах. Поэтому у льда есть форма: строй не рассыпается.
Нагрели — молекулы задёргались сильнее, строй развалился. Они больше не сидят по местам, а скользят друг по другу, но всё ещё держатся вместе. Это жидкость: она не рассыпается, но своей формы не имеет и растекается по любому сосуду.
Нагрели ещё — и самые быстрые молекулы отрываются от остальных и улетают поодиночке. Это газ: молекулы разлетаются и заполняют весь объём, какой есть.
Куда девается тепло, когда вода кипит
Поставь кастрюлю с водой на плиту и воткни туда термометр. Температура будет расти: 30, 50, 80... дошла до 100 °C, вода закипела. А дальше происходит странное: температура перестаёт расти.
Плита продолжает греть вовсю, а термометр упрямо показывает 100. Куда уходит тепло?
Оно уходит на то, чтобы оторвать молекулы друг от друга. Молекулы воды притягиваются между собой довольно сильно, и, чтобы улететь, каждой нужно заплатить энергией. Пока в кастрюле есть вода, всё поступающее тепло тратится на этот отрыв, а не на нагрев.
То же самое работает и на плавлении: пока в стакане с водой плавает лёд, вода держится около нуля градусов, сколько бы ты ни ждал. Именно поэтому лёд в напитке охлаждает намного лучше, чем просто холодная вода.
И это же объясняет, почему тебе холодно после купания. Вода с кожи испаряется, а для испарения нужна энергия — и она берёт её у тебя. По той же причине ты потеешь: испаряющийся пот уносит лишнее тепло.
Странность, без которой не было бы жизни
Почти все вещества, замерзая, сжимаются: молекулы укладываются плотнее, и твёрдое становится тяжелее жидкого. Твёрдый воск тонет в расплавленном воске, твёрдый металл тонет в расплавленном.
А лёд плавает.
Дело в форме молекулы воды: она изогнута, как «галочка». Когда вода замерзает, молекулы выстраиваются в строгую решётку с пустотами внутри, и объём получается примерно на 9 % больше. Вещества столько же, а места больше — значит, лёд легче воды.
Из-за этого лопаются забытые в морозилке бутылки и рвутся зимой водопроводные трубы. Из-за этого же трескаются скалы: вода затекает в трещину, замерзает и разламывает камень изнутри.
Но самое важное последствие другое. Зимой озеро замерзает сверху, и ледяная корка работает одеялом: подо льдом вода остаётся жидкой, и рыбы там живут. Если бы лёд тонул, водоёмы промерзали бы со дна до самого верха, и жизнь в них не пережила бы ни одной зимы.
Иней, роса и пар, которого ты не видишь
Ещё одна неожиданность: пар невидим. Белое облачко над чайником — это уже не пар, а мельчайшие капельки воды, которые сконденсировались, остыв в холодном воздухе. Присмотрись: у самого носика чайника есть прозрачный промежуток, вот там и есть настоящий пар.
Молекулы воды летают в воздухе всегда, даже в сухой комнате. Когда они натыкаются на что-нибудь холодное, они замедляются, слипаются и снова становятся жидкостью. Так запотевает стакан с лимонадом, так появляется роса на траве, так туманятся очки, когда заходишь с мороза.
А если поверхность холоднее нуля, пар может превратиться в лёд сразу, минуя жидкость. Так растут перистые узоры инея на окне и так же — снежинки в облаках.
Обратный переход тоже бывает: лежащее на морозе бельё высыхает, хотя ни разу не оттаяло. Лёд испаряется прямо в пар, это называют возгонкой.
Главное в трёх строчках
- Лёд, вода и пар — одно и то же вещество; разница только в том, насколько быстро движутся молекулы и держатся ли они друг за друга.
- При плавлении и кипении температура стоит на месте: всё тепло уходит на разрыв связей между молекулами, а не на нагрев.
- Вода при замерзании расширяется, поэтому лёд плавает — и благодаря этой странности в озёрах подо льдом зимует жизнь.