Voda http://myspacematrix.com/images/stories/layouts/sports/thu_sport_28.jpg 97,2% pozemské vody je v oceánech 2,15% sníh a led 0,64% kapalná sladká voda Img_6510 0,001% atmosféra 18 izotopových forem vody: 1H, 2H (D), 3H (T) 16O, 17O, 18O H – 16O – H H – 16O – D D – 16O – D H – 16O – T T – 16O – T D – 16O – T + 17O, 18O výskyt v přírodě: D – deuterium – stabilní izotop T – tritium – radioaktivní izotop (12,3 r) O – vše stabilní izotopy {}^{14}_7\hbox{N}+{}^1\hbox{n}\to{}^{12}_6\hbox{C}+{}^3_1\hbox{T} Molekula vody elektrický dipól elektrický dipólový moment délka vazby H – O 0,991Å vazebná energie vazby H – O 492 kJ/mol molekula vody tedy vykazuje dipólový moment. V elektrickém poli působí na dipól moment sil, který se jím pokouší otáčet. Molekuly vody mají vzhledem ke své struktuře nevykompenzovaný elektrický dipólový moment, což znamená, že se ve vnějším elektrickém poli natáčejí do směru tohoto pole, neboť je to pro ně energeticky nejvýhodnější. V mikrovlnné troubě se však orientace tohoto vnějšího elektrického pole velmi rychle mění, přičemž rychlost těchto změn je dána frekvencí použitého elektromagnetického vlnění (zpravidla se používá frekvence 2,45 Ghz). To má za následek, že molekuly se ve snaze najít ideální polohu nacházejí neustále pohybu a přitom samozřejmě mezi nimi dochází ke tření. A při tření se, jak je všeobecně známo, uvolňuje teplo. Tento proces však probíhá ve všech částech zahřívané kapaliny stejně, a proto je ve všech částech prakticky stejná teplota a nedochází k proudění. Nyní se podívejme, jak tyto odlišné podmínky ovlivňují dosažení varu. Je známo, že z povrchu kapaliny probíhá vypařování za jakékoliv teploty. Za var považujeme situaci, kdy k vypařování začne docházet i uvnitř. Přitom se vytvářejí bubliny páry, které postupně zvětšují svůj objem a vystupují k povrchu kapaliny. Musíme si však říct, proč ke vzniku těchto bublin při určité teplotě, kterou nazýváme teplota varu a která je závislá na vnějším tlaku (při sníženém tlaku vře voda při podstatně méně než 100˚ C, naopak v Papinově hrnci, kde je větší než normální atmosférický tlak, je běžná teplota varu kolem 120˚ C). K tomu, aby se vůbec nějaká bublina vytvořila, je třeba velké množství molekul, které v jednom okamžiku přejdou z kapalného do plynného skupenství. Pravděpodobnost, že se něco takového stane, je pochopitelně závislá na teplotě. Na druhé straně i při teplotě vyšší, než je bod varu, nemusí k této události dojít! Ukazuje se však, že k tvorbě bublin dochází nejjednodušeji v místech, kde se kapalina dotýká vnějšího tělesa, jehož teplota je odlišná od teploty kapaliny, a to především v místech, kde povrch tohoto tělesa není zcela rovný. Není to nic překvapivého. Pokud vaříme vodu v hrnci, je jasné, že bubliny, jejichž vznik sigalizuje var, se tvoří na dně hrnce. U topné spirály se bubliny začnou tvořit právě na této spirále. Při mikrovlnném ohřevu však žádné vnější zahřáté těleso nemáme. Ohřívá se totiž samotná kapalina a teprve od ní nádoba, v níž je umístěna. Důsledek je takový, že najednou nemáme místo, kde by mohlo dojít k tvorbě bublin a tedy k zárodku varu. Díky tomu můžeme při mikrovlnném ohřevu bez větších problémů překonat teplotu varu bez toho, aby byly patrné nějaké příznaky toho, že se voda vaří. V této souvislosti hovoříme o takzvaném skrytém varu a říkáme, že se voda nachází v přehřátém stavu. To samo o sobě není nic nebezpečného. V okamžiku, kdy do takto přehřáté vody nasypeme kávu či vhodíme jakýkoliv předmět, však dojde k velmi prudkému varu, při němž horká voda vystříkne z nádoby! Je známa řada případů, kdy nevinný ohřev vody na kávu skončil těžkými popáleninami, které vyžadovaly dlouhou a rozhodně ne právě příjemnou léčbu. Proto je lepší samotnou vodu v mikrovlnné troubě vůbec neohřívat. Pokud se to však z nějakého důvodu rozhodnete vyzkoušet, lze nebezpečí úrazu minimalizovat několika opatřeními. Dále je dobré umístit vodu do nádoby, která nebudezcela hladká. Platí toiž, že čím hladší nádoba, tím menší pravděpodobnost tvorby bublin a tedy větší nebezpečí skrytého varu. V neposlední řadě je potřeba být maximálně opatrný při samotném sypání čaje do ohřáté vody. Rozhodně je nutné si krýt obličej, tak aby nemohl být zasažen horkou vodou. Před samotným nasypáním je dobré chvilku počkat. Z fyzikálního hlediska je zajímavé uvedený experiment vylepšit tím, že místo čisté vody necháme v mikrovlnné troubě ohřívat mýdlový roztok. Při vhodné koncentraci lze dosáhnout přehřátí až na 140˚ C, přičemž po vhození nějakého předmětu do takto přehřátého roztoku můžeme pozorovat zajímavou reakci doprovázenou i barevnými efekty. Tento pokus přitom není tak nebezpečný jako když použijeme čistou vodu. Problematické však je nalezení optimální koncentrace mýdlového roztoku. Silná molekulární interakce van der Waalsovy síly (vodíková vazba) dvě molekuly • anomálie vody • vysoké povrchové napětí • vysoké měrné teplo • rozpouštědlo Obrázek “http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/chemical/imgche/waterbond.gif” nelze zobrazit, protože obsahuje chyby. Vodíkové vazby mají mimořádný biologický význam, protože např. ovlivňují vlastnosti vody spojováním jejích molekul do větších celků. Vodíkové vazby jsou tedy zodpovědné za unikátní vlastnosti vody, Polární rozpouštědlo je tvořeno polárními molekulami, které mají nenulový elektrický elektrický dipólový moment (látky s velkou permitivitou), např. molekuly vody. Tato rozpouštědla jsou schopna rozpustit iontové sloučeniny. · Nepolární rozpouštědlo obsahuje nepolární molekuly, které mají nulový elektrický dipólový moment, např. benzen. Nerozpouštějí iontové sloučeniny, ale mohou rozpustit nepolární kovalentní sloučeniny. Skupenství vody led kapalina plyn led kapalina pára voda je jediná látka, která se na Zemi vyskytuje současně ve všech třech skupenstvích Změny skupenství, fázový (pT) diagram nejvyšší tlak kapalné vody ~12 GPa při 373.946°C kritický bod 647.096 K, 22.064 MPa, 322 kg m-3 wpe1.jpg (16466 bytes) nejnižší teplota kapalné vody -22°C při 207.5 MPa nejvyšší teplota kapalné vody 373.946°C, >22.064 MPa nejnižší tlak kapalné vody 611.657 Pa při 0.01°C trojný bod vody 0.01°C (273.16 K přesně definitoricky), 611.657 Pa, anomálie vody v oblasti 0 – 4ºC má voda záporný koeficient teplotní roztažnosti, pro T= 4ºC je koef. teplotní roztažnosti nulový led má menší hustotu než kapalná voda hustota ledu při 0 ºC: 916,7 kg/m3 voda má největší hustotu pro teplotu 4ºC hustota vody při 3,984 ºC: 999,972 kg/m3 kondenzované fáze vody s největší a nejmenší hustotou jsou od sebe vzdáleny 4ºC zvyšování tlaku snižuje bod tání – regelace ledu vysoké měrné teplo cvoda = 4 189 J/kgK Za jak dlouho by člověk „vychladnul“ o 1ºC? stabilizace teploty na Zemi, přenos tepla na velkou vzdálenost – mořské proudy, ústřední topení jiné příklady: železo: 452 J/kgK vzduch:1000 J/kgK cihla: 900 J/kgK ctělo = 3500 J/kgK Jaké množství vody 80ºC teplé by uschovalo energii potřebnou na celoroční vytápění rodinného domu? běžný dům cca 10 000kWh/rok = 36GJ pasivní dům cca 2 000kWh/rok = 7,2GJ pasivní dům 15kWh/m2 rok Příklad: akumulace tepla vysoká měrná tepla skupenských přeměn tání: 3,3 х 105 J/kg vypařování: 2,50 х 106 J/kg sublimace: 2,83 х 106 J/kg c = 4 189 J/kgK měrné teplo 1 kg ledu 0ºC + 1 kg vody 80 ºC = 2 kg vody 0ºC Příklad: pocení maratónce kolik vypotí maratónec za jeden závod? Předpoklady: • rovnovážný výkon 80W (tepelný výkon v klidu je roven chlazeni) • mechanický výkon při běhu = 300W • účinnost svalové práce = 20 – 25% udávaná hodnota 4 – 6 litrů http://pohlednice.centrum.cz/obrazek.php?id=7803 http://www.kge.vslib.cz/soubory/15f00777b9b84de6b6b6b3f42ca5c715.jpg Povrchové napětí povrchové napětí příčina vzniku: interakce mezi molekulami vytvoření každé vazby – snížení energie výhodnější konfigurace vazebná energie povrch kapaliny rozhraní kapalina – stěna nádoby snaha zmenšit energii = snaha zmenšit povrch kulička vody povrchové napětí => povrchová energie látka σ [J/m2] voda 76 · 10-3 etanol 22 · 10-3 rtuť 476 · 10-3 tvar vodní kapky? http://www-isis.u-strasbg.fr/lbc/Images/Movies/Splash.gif kapilární elevace příklad Jak se dostane voda na vrchol 100m stromu? kapilární elevace http://www.steveshamesphotos.com/images/Sequoia07.jpg Příklad: r = 0,15μm hydrostatický tlak 100m sloupce vody Povrchové napětí zajišťuje sání vody dvěma způsoby: • kapilární vztlak zvedá vodu vzhůru • povrchová energie zabraňuje vzniku varu (v tenkých kapilárách nemůže vzniknout bublinka nadkritické velikosti) Odpar vody z listů sání vody z půdy Proudění vody: