Роль изменения плотности веществ в природе



Есть только два способа прожить жизнь. Первый — будто чудес не существует. Второй — будто кругом одни чудеса.

Альберт Эйнштейн

Мы часто замечаем, что события, которые происходят в нашей жизни, неслучайны. Каждое несет нам какой-то урок, имеет какой-то смысл.

Например, круговорот воды в природе. Это достаточно сложный процесс, сопровождающийся изменением агрегатного состояния воды, перемещением ее между экосистемами. Каждый год с поверхности планеты испаряется около . Этот же объем в виде жидких и твердых осадков возвращается на Землю. Такая непрерывная циркуляция обеспечивает существование жизни на планете.

Процесс сложный, состоит из нескольких этапов. Движущий фактор — солнечное излучение. В теплый сезон вода нагревается Солнцем, принимает газообразное состояние — становится паром. Из испаряющейся водной массы отфильтровываются соли, то есть накапливающийся в атмосфере пар является пресным. По мере поднятия в атмосферные слои пар охлаждается, в результате формируются облака. Выпадающие из них осадки орошают поверхность планеты и наполняют океан.

Итак, одно и тоже вещество может находиться в разных агрегатных состояниях. Обычно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. Также к агрегатным состояниям принято причислять плазму [1]. Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое при изменении внешних условий: температуры, давления, магнитного и электрического полей называют фазовым переходом.

При нагревании вещества скорость его молекул увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Следовательно, при повышении температуры объём вещества увеличивается, а при понижении — уменьшается [1]. Это подтверждают опыты. Так, например, сильно разогретый болт не входит в резьбу, в которую он свободно входит, будучи холодным. Когда болт охладится, он снова входит в резьбу. Телеграфные провода в жаркую летнюю погоду провисают заметно больше, чем во время зимних морозов [2].

Но все ли вещества ведут себя таким образом? Оказывается, вода имеет несколько особенностей.

Вода расширяется только при нагревании свыше

. От до объём воды, наоборот, при нагревании уменьшается. Таким образом, наибольшую плотность вода имеет при . Эти данные относятся к пресной воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при . Опустим температуру ниже , вода превратится в лед, плотность будет уменьшаться. Убедиться в этом можно с помощью опыта.

Нальем в стакан воды и опустим кусочек льда. Мы видим, что лед находится на поверхности воды (рис. 1). Ссылаясь на условия плавания тел, можно сказать, что лед имеет меньшую плотность, чем вода.

Рис. 1. Плавание льда

Так происходит из-за особого строения кристаллической решётки льда: в одних местах молекулы сближены, зато в других местах имеются пустоты между слоями. При переходе от кристаллического состояния к жидкому расположение молекул меняется и делается более равномерным; при этом расстояние между молекулами, которые расположены близко друг к другу, увеличивается, а между отдалёнными молекулами уменьшается (рис.2). Потенциальная энергия взаимодействия первых увеличивается, а вторых — уменьшается. Но увеличение потенциальной энергии близких молекул больше уменьшения потенциальной энергии отдалённых молекул. В конечном итоге внутренняя энергия воды всё же больше внутренней энергии льда, из которого она образовалась [2].

Рис. 2. Пространственная решетка кристаллов льда (вид сверху)

Также вода имеет важную значимость для растений. Осенью температура воздуха понижается, и почва постепенно охлаждается, уменьшаясь в объёме. В таком случае корни растений должны оборваться, ведь земля, «сжимаясь», разрывает корни растений. Почему это не происходит?

Мы уже говорили, что плотность льда меньше плотности воды. Поэтому, когда почва промерзает, вода, расширяясь, не дает уменьшится ей в объеме. При понижении температуры и давления, что и происходит осенью, начинается дождь. Вследствие этому вода попадает в почву, где позже замерзает.

Итак, вода, кристаллизуясь, уберегает корни растений от механических повреждений. Кроме того, из-за низкой теплопроводности льда, относительно почвы, земля не промерзает и растения переносят зиму без трудностей.

Рис. 3. Корневая система

Именно поэтому многолетние растения нужно обильно поливать перед зимовкой. Но что же с дикими растениями? О них позаботится сама природа.

Литература:

1. Физика.8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений/ А. В. Пёрышкин. –14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2011 г.– 191, [1] с.: ил.
2. Элементарный учебник физики: Учеб. Пособие. В 3 т. Т. 1. Механика. Теплота. Молекулярная физика / Под ред. Г. С. Ландсберга. — 15-е изд., испр. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2020 г. — 608 с.