Ջրի հատուկ ջերմությունը, գոլորշացման ջերմությունն ու խտությունը

Պատկերացրու՝ շոգ օր է։ Դու որոշ ժամանակ արևի տակ ես եղել, որից հետո նստել ես ու մի փոքր քրտնած ես, մի բաժակ սառույցով ջուր ես վերցրել։ Դու պատահականորեն նկատում ես թե՛ քո ձեռքի վրայի քրտինքի կաթիլները, թե՛ ջրի բաժակի վերևում լողացող սառույցի կտորները։ Քո աշխատասիրության շնորհիվ սովորել ես ջրի առանձնահատկությունները և դիտարկում ես քրտինքի կաթիլներն ու սառույցի կտորները որպես ջրի՝ ջրածնական կապեր ստեղծելու զարմանալի կարողության արդյունք։

Ինչպե՞ս է դա տեղի ունենում։ Ջրի մոլեկուլները շատ լավ կարողանում են ստեղծել ջրածնային կապեր՝ թույլ ձգողականություններ ջրի մոլեկուլների մասնակի դրական և մասնակի բացասական ծայրերի միջև։ Ջրածնային կապը բացատրում է և՛ գոլորշացման շնորհիվ սառեցման արդյունավետությունը (քրտնելու շնորհիվ դու զովանում ես), և՛ սառույցի ցածր խտությունը (սառույցը լողում է ջրի մակերևույթին):

Այստեղ մենք ավելի մանրամասն կանդրադառնանք ջերմաստիճանի փոփոխության, սառեցման և ջրի գոլորշացման գործընթացներում ջրածնային կապերի դերին:

Ջուրն իր բոլոր երեք ագրեգատային վիճակներում (պինդ, հեղուկ, գազային) յուրահատուկ քիմիական հատկություններ ունի իր մոլեկուլների՝ միմյանց հետ ջրածնային կապեր ստեղծելու կարողության շնորհիվ։ Քանի որ կենդանի օրգանիզմները՝ մարդուց մինչև բակտերիա, մեծ քանակով ջուր են պարունակում, երեք ագրերգատային վիճակներում ջրի քիմիական հատկությունները հասկանալը կենսաբանության բանալին է։

Հեղուկ ջրում ջրածնային կապերն անընդհատ ձևավորվում ու քանդվում են ջրի մոլեկուլների՝ իրար կողքով սահելու ընթացքում։ Այս կապերի խզումը պայմանավորված է ջրի մոլեկուլների շարժման էներգիայով (կինետիկ էներգիա)՝ համակարգում պարունակվող ջերմության շնորհիվ։

Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է (օրինակ՝ երբ ջուրը եռում է), ջրի մոլեկուլների ավելի բարձր կինետիկ էներգիան պատճառ է դառնում, որ ջրածնային կապերն ամբողջովին քանդվեն, և թույլ է տալիս, որ ջրի մոլեկուլները գազի տեսքով օդ անցնեն։ Այս գազը մենք տեսնում ենք գոլորշու տեսքով։

Մյուս կողմից, երբ ջերմաստիճանը նվազում է, և ջուրը սառչում է, ջրի մոլեկուլները ջրածնային կապերի միջոցով բյուրեղային կառուցվածք են ստանում (ջերմային էներգիան չափազանց քիչ է ջրածնային կապերը քանդելու համար)։ Այս կառուցվածքը սառույցը դարձնում է պակաս խիտ, քան հեղուկ ջուրը։

Պինդ վիճակում ջրի ավելի փոքր խտությունը պայմանավորված է նրանով, թե ինչ ձևով են ջրածնային կապերը սառչելու ընթացքում տեղորոշվում։ Մասնավորապես սառույցում ջրի մոլեկուլներն իրարից ավելի հեռու են մղվում, քան հեղուկ ջրում։

Դա նշանակում է, որ ջուրն ընդարձակվում է սառչելու ընթացքում։ Դու սա տեսել ես, եթե երբևէ փակ ապակե տարայով ջրիկ սնունդ (ապուր, գազավորված ըմպելիք և այլն) ես դրել սառցարանում, և արդյունքում տարան կա՛մ ճաքել է, կա՛մ պայթել պարունակվող հեղուկի սառչելու և ընդարձակվելու արդյունքում։

Մյուս հեղուկների դեպքում պնդացումը, որը տեղի է ունենում ջերմաստիճանի և կինետիկ (շարժման) էներգիայի նվազման հետևանքով, թույլ է տալիս մոլեկուլներին ավելի կիպ դասավորվել, քան հեղուկ վիճակում։ Սրա շնորհիվ պինդ վիճակում նյութն ավելի մեծ խտություն է ունենում, քան հեղուկ վիճակում։ Ջուրը շեղում է դրսևորում (առանձնանում է տարօրինակ հատկությամբ)՝ պինդ վիճակում ավելի փոքր խտություն ունենալով։

Ավելի փոքր խտության շնորհիվ սառույցը լողում է հեղուկ ջրի մակերևույթին, ինչպես սառցաբեկորը կամ սառույցի կտորները՝ սառը թեյով բաժակում։ Լճերում և ջրամբարներում ջրի մակերևույթին սառույցի շերտ է առաջանում՝ ստեղծելով մեկուսիչ պատնեշ, որը սառչելուց պաշտպանում է ջրամբարում բնակվող կենդանիներին և բուսականությունը:

Ինչո՞ւ է կենդանի օրգանիզմների համար սառչելը վնասակար։ Սա կարող ենք հասկանալ սառցարանում դրված գազավորված ըմպելիքով շշի պայթելու դեպքը վերանայելով։ Երբ բջիջը սառչում է, դրա ջուր պարունակող բաղադրիչներն ընդարձակվում են, և բջջաթաղանթը շշի նման մասնատվում է։

Հեղուկ ջրի ջերմաստիճանը բարձրացնելու համար շատ էներգիա է պահանջվում, քանի որ ջերմության որոշ մասը պետք է օգտագործվի մոլեկուլների միջև եղած ջրածնային կապերը քանդելու համար։ Այլ կերպ ասած՝ ջուրն ունի բարձր տեսակարար ջերմունակություն, որը ջերմության այն քանակն է, որն անհրաժեշտ է 1 գ նյութի ջերմաստիճանը 1°C-ով բարձրացնելու համար։ Ջերմության այն քանակը, որն անհրաժեշտ է 1 գ ջրի ջերմաստիճանը 1°C-ով բարձրացնելու համար, կոչվում է կալորիա։

Իր բարձր ջերմունակության շնորհիվ ջուրը կարող է նվազագույնի հասցնել ջերմության փոփոխությունները։ Օրինակ՝ ջրի տեսակարար ջերմունակությունը 5 անգամ մեծ է ավազի տեսակարար ջերմունակությունից։ Արևի մայր մտնելուց հետո ցամաքն ավելի արագ է սառչում, քան ծովը, և դանդաղ սառչող ջուրը գիշերվա ընթացքում կարող է ջերմություն անջատել ու փոխանցել մոտակա ցամաքին։ Ջուրը նաև օգտագործվում է տաքարյուն կենդանիների կողմից ջերմությունը ամբողջ մարմնով մեկ տարածելու նպատակով․ այն ավտոմեքենայի հովացման համակարգի նման է գործում՝ ջերմությունը փոխադրելով տաք տեղերից դեպի համեմատաբար սառը տեղեր, որի շնորհիվ մարմնի ջերմաստիճանը հաստատուն է մնում։

Ինչպես շատ ջերմություն է անհրաժեշտ հեղուկ ջրի ջերմաստիճանը բարձրացնելու համար, այնպես էլ շատ ջերմություն է պահանջվում տրված քանակի ջուրը գոլորշացնելու համար, քանի որ մոլեկուլների՝ գազի տեսքով հեռանալու համար ջրածնային կապերը պետք է քանդվեն։ Այդ պատճառով էլ ջուրն ունի գոլորշացման բարձր ջերմություն, որն էներգիայի այն քանակն է, որը պետք է 1 գրամ հեղուկ նյութը հաստատուն ջերմաստիճանի պայմաններում գազի վերածելու համար։

Ջրի գոլորշացման ջերմությունը ջրի եռման կետում՝ 100°C-ում, մոտավորապես 540 կալ/գ է։ Ուշագրավ է, որ ջրի որոշ մոլեկուլներ՝ բարձր կինետիկ էներգիա ունեցողները, ջրի մակերևույթից կխուսափեն նույնիսկ ցածր ջերմաստիճաններում։

Երբ ջրի մոլեկուլները գոլորշանում են, այն մակերեսը, որտեղից դրանք գոլորշանում են, հովանում է։ Այս գործընթացը կոչվում է գոլորշացումով սառեցում: Գործընթացը տեղի է ունենում, քանի որ ամենամեծ կինետիկ էներգիա ունեցող մոլեկուլները գոլորշու տեսքով հեռանում են (տե՛ս գոլորշիների սառեցման մասին տեսանյութը՝ ավելի շատ տեղեկության համար)։ Մարդու կամ այլ կենդանի օրգանիզմների քրտինքի գոլորշիացումը, որի 99%-ը ջուր է, մարմինը հովացնում է՝ կայուն ջերմաստիճանի պահպանման համար։