Свойства воды в газообразном состоянии. В каких состояниях вода встречается в природе? Состояния воды в природе для детей

В данном материале мы рассмотрим Водяной пар , который является газообразным состоянием воды.

Газообразное состояние относится к трем основным агрегатным состояниям воды, встречающихся в природе в естественных условиях. Детально этот вопрос рассмотрен в материале Агрегатные состояния воды .

Водяной пар

Чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса. Наибольшее скопление пара наблюдается в тропосфере.

Водяно́й пар — вода, содержащаяся в атмосфере в газообразном состоянии. Количество водяного пара в воздухе сильно меняется; наибольшее его содержание – до 4 %. Водяной пар невидим; то, что называют паром в быту (пар от дыхания на холодном воздухе, пар от кипения воды и т. п.), – это результат конденсации водяного пара, как и туман. Количество водяного пара определяет важнейшую для состояния атмосферы характеристику – влажность воздуха.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн. Под редакцией проф. А. П. Горкина. 2006.

Как образуется водяной пар

Водяной пар образуется в результате «парообразования». Парообразование происходит в результате двух процессов – испарения или кипения. При испарении пар образуется только на поверхности вещества, при кипении же пар образуется по всему объему жидкости, о чем и свидетельствуют пузырьки, активно поднимающиеся вверх во время процесса кипения. Кипение воды происходит при температурах которые зависят от химического состава водного раствора и атмосферного давления, температура кипения остается неизменной на протяжении всего процесса. Пар , образующийся в результате кипения, называется насыщенным. Насыщенный пар в свою очередь подразделяется на насыщенный сухой и насыщенный влажный пар. Насыщенный влажный пар состоит из взвешенных капелек воды, температура которых находится на уровне кипения, и соответственно самого пара, а насыщенный сухой пар не содержит капелек воды.

Так же существует «перегретый пар», который образуется при дальнейшем нагреве влажного пара, этот вид пара обладает более высокой температурой и более низкой плотностью.

Водяной пар является незаменимым элементом такого важного для нашей планеты процесса как Круговорот воды в природе .

С паром мы постоянно сталкиваем в ежедневной жизни, он появляется — над носиком чайника при кипении воды, при глажке, при посещении бани… Однако не забывайте, что, как мы уже отмечали выше, чистый водяной пар не имеет ни цвета, ни вкуса. Благодаря своим физическим свойствам и качествам, пар уже давным-давно нашел свое практическое применение в хозяйственной деятельности человека. И не только в быту, но и при решении больших глобальных задач. Долгое время пар был главной движущей силой прогресса как в прямом так и в переносном смысле этого выражения. Он использовался как рабочее тело паровых машин, самой известной из которых является ПАРОВОЗ.

Использование пара человеком

Пар и в наше время широко используется в хозяйственных и производственных нуждах:

• в целях гигиены;
• в лечебных целях;
• для тушения пожаров;
• используются тепловые свойства пара (пар как теплоноситель) – паровые котлы; паровые рубашки (автоклавов и реакторов); разогрев «смерзающихся» материалов; теплообменники; отопительные системы; пропарка бетонных изделий; в особого рода теплообменниках … ;
• используют трансформацию энергии пара в движение – паровые машины … ;
• стерилизация и дезинфекция – пищевая промышленность, сельское хозяйство, медицина … ;
• пар как увлажнитель — в производстве железобетонных изделий; фанеры; в пищевой промышленности; в химической и парфюмерной промышленности; в деревообрабатывающих производствах; в сельскохозяйственном производстве … ;

Подводя итоги, отметим, что, несмотря на всю свою «незаметность», водяной пар является не только важным элементом глобальной эко-системы Земли, но так же и весьма полезным веществом для хозяйственной и экономической деятельности человека.

Вода — основа жизни и в природе она может находиться в трех основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Однако, искусственно можно создать условия, при которых вода переходит в состояние плазмы.

В этой статье мы разберем, почему вода может быть в жидком, твердом и газообразном состояниях, и при каких условиях меняются ее агрегатные состояния.

Жидкое состояние воды в природных условиях планеты Земля преобладает.

Твердое состояние воды

Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.

Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.

Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.

Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде солей снижает температуру замерзания.

На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос: какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ – ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия. Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду, отбирая у нее тепло.

Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете — жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов) находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.

Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0 градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8 градусах Цельсия.

Жидкое состояние воды

Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.

Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса питьевой воды.

Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко делает влажными большинство твердых материалов.

Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и давление.

Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.

Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее микроскопических капелек.

Пар — это вода в газообразном состоянии, которое образуется, когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар» часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных капель, образующихся при конденсации водяного пара.

И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности, ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на жидкое.

Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия) или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления. Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.

Состояние газа

Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение, что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не верно.

Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же, как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е. в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.

Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии образует облака и тучи

Четвертое агрегатное состояние: плазма

Все знают, в каких трех состояниях вода находится в окружающей природе. Однако, ученые знают и четвертое состояние воды – плазму, которую называют гидроплазмой.

Водяной пар можно нагреть до такой температуры (2 200 -13 900°С, или 4 000- 25 000 ° F), что молекулы воды распадаются и получается просто смесь атомов водорода и кислорода в виде плазмы. Там динамически может присутствовать некоторое количество молекул воды, но всё равно эта смесь ионов и молекул будет водородно-кислородной плазмой.

Вообще плазма – это такое состояние вещества, которое настолько насыщено энергией, что от атомов отлетают электроны. Не говоря уже о разрушении молекулярных структур и кристаллических решеток.

Плазменное состояние воды в природе не встречается, однако оно всё больше интересует ученых в плане возобновляемых источников энергии. Очень заманчивая идея – получение из воды топлива в виде горючего водорода, который реагирует с кислородом и опять образует воду…

Как меняются агрегатные состояния

В принципе, агрегатное (физическое) состояние воды, как и любого другого вещества, зависит от температуры и давления. В природных условиях Земли возможны только три состояния веществ: твёрдое, жидкое и газообразное. Это и есть ответ на вопрос «в каких трех состояниях вода находится в природе».

Также теперь Вы знаете ответы на многие другие интересные вопросы типа «какой металл, находясь в расплавленном, т.е. жидком, состоянии, может заморозить воду, т.е. превратить ее в лёд» и т.п.

И Вы имеете понятие, в каком агрегатном состоянии может находиться вода в природе и в искусственных условиях.

Опыт показывает, что при нагревании некоторых твёрдых тел они способны расплавляться, то есть превращаться в жидкость, а затем испаряться. Уменьшение температуры вещества ведет к обратному процессу. Возможно превращение кристаллического вещества в газ, минуя жидкую фазу (процесс сублимации).

Агрегатные состояния

Агрегатное состояние зависит от температуры и давления над поверхностью вещества. Переходы из одного агрегатного состояния в другое, которые сопровождаются изменением характера упаковки частиц (ближний, дальний порядок, неупорядоченность), называют фазовыми переходами первого рода.

В природе вода (единственное вещество на Земле) может иметь три агрегатных состояния: твердое (это дел или снег); жидкость и газообразное (пар).

Лед имеет кристаллическую решетку, то есть его атомы четко расположены. Он сохраняет форму, обладает объемом и сохраняет его, атомы плотно упакованы.

Вода текучая субстанция. Она сохраняет объем, но не сохраняет форму, принимая форму сосуда в котором находится. Имеет нечеткое расположение частиц и большую их подвижность в сравнении со льдом.

Пары воды заполняют все предоставленное им пространство, обладают рыхлой упаковкой частиц, их можно легко сжать.

В жидком состоянии вода может находиться при нормальном атмосферном давлении при температуре от 0 o C до 100 o C. Вода - это растворитель, который необходим для течения биохимических реакций. Свойствами растворителя, она обладает благодаря полярности своих молекул. В массовом составе воды содержится 88,81% кислорода и 11,19% водорода. Если вода переходит изо льда в жидкость, то ее плотность растет. При увеличении температуры воды в диапазоне от 0 o C до +4 o C ее плотность увеличивается. С дальнейшим ростом температуры плотность воды уменьшается. При +4 o C плотность воды выше, чем плотность льда. Вода имеет высокую теплоемкость (c-удельная теплоемкость): , поэтому является хорошим переносчиком тепла. Вода — тепловой регулятор на Земле. Кроме этого вода обладает высоким поверхностным натяжением (больше только у ртути).

При давлении в одну атмосферу и температуре 0 o C и ниже вода переходит в лед. Тогда как при уменьшении температуры все тела уменьшают свой объем, вода при замерзании расширяется примерно на 9%. Аномальные свойства воды объясняют особенностью молекулярного строения. Обладая одной кристаллической структурой, лед имеет много разных форм. Это снежинки, сосульки, льдины и т.д. Лед имеет высокую удельную теплоту плавления ( (при нормальном атмосферном давлении). Лед в природе может иметь механические примеси такие как твердые частицы, капли растворов или пузырьки газов.

Переход воды в газообразное состояние можно наблюдать, нагревая при нормальном атмосферном давлении до температуры 100 o C. Газообразная вода может встречаться, например, в виде тумана, облаков.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

В природе вода содержится в трех состояниях:

• твердое состояние (снег, град, лед);
• жидкое состояние (вода, туман, роса и дождь);
• газообразное состояние (пар).

С раннего детства, еще в школе изучают разные агрегатные состояния воды: туман, дождевые осадки, град, снег, лёд и тп. Существует , которые в школе изучают подробно. Они каждый день встречаются нам в жизни и влияют на жизнедеятельность. – это состояние воды при определенном температурном режиме и давлении, которое характеризуется в пределе некоторого интервала.

К основным понятиям состояния воды следует внести уточнения, что состояние тумана и облачное состояние не относится к газообразованию. Они появляются при конденсации . Это уникальное свойство воды которое может находиться в трех разных агрегатных состояниях. Три состояния воды жизненно важны для планеты, они образуют гидрологический цикл, обеспечивают процесс круговорота воды в природе. В школе показывают различные опыты по испарению и . В любом уголочке природы вода считается источником жизни. Есть и четвертое состояние, не менее важное – Дерягинская вода (Российский вариант), или как её принято называть в данный момент — Нанотрубочная вода (Американский вариант).

Твердое состояние воды

В сохраняется форма и объем. При пониженной температуре вещество замерзает и превращается в твердое тело. Если высокое давление, то температура затвердевания требуется выше. Твердое тело бывает кристаллическим и аморфным. В кристалле положение атома строго упорядоченно. Формы кристаллов естественные и напоминают многогранник. В аморфном теле точки расположены хаотично и колеблются, в них сохраняется только ближний порядок.

Жидкое состояние воды

В жидком состоянии вода сохраняет свой объем, но ее форма не сохраняется. Под этим понимает, что жидкость занимает лишь часть объема, может протекать по всей поверхности. Изучая в школе вопросы жидкого состояния, следует понимать, что это промежуточное состояние между твердой средой и газовой средой. Жидкости делятся на чистые и состояния смеси. Некоторые смеси очень важны для жизни, например кровь или морская вода. Жидкости могут выполнять функцию растворителя.

Состояние газа

В форма и объем не сохраняются. По-другому газообразное состояние, изучение которого происходит еще в школе, называется водяным паром. Опыты показывают наглядно, что пар невидим, он растворим в воздухе, и показывает относительную влажность. Растворимость зависит от температуры и давления. Насыщенный пар и точка росы – это показатель предельной концентрации. Пар и туман это разные агрегатные состояния.

Четвертое агрегатное состояние — плазма

Изучение плазмы и современные опыты стали рассматриваться чуть в более позднем сроке. Плазмой называется полностью или частично ионизированный газ, она возникает в состоянии равновесия при высокой температуре. В условиях земли образуется газовый разряд. Свойства плазмы определяют его газообразное состояние, за исключением того, что огромную роль во всем этом играет электродинамика. Среди агрегатных состояний плазма самое распространенное во Вселенной. Изучение звезд и межпланетного пространства показало, что вещества находятся в состоянии плазмы.

Как меняются агрегатные состояния?

Изменение процесса перехода из одного состояния в другое:

— жидкость — пар (парообразование и кипение);

— пар — жидкость (конденсация);

— жидкость — лед (кристаллизация);

— лед – жидкость (плавление);

— лед – пар (сублимация);

— пар – лед, образование инея (десублимация).

Вода названа интересным природным земным минералом. Вопросы эти сложные и изучение требуется постоянное. Агрегатное состояние в школе подтверждают проведенные опыты и если возникают вопросы, то опыты наглядно дают разобраться в рассказанном на уроке материале. При испарении жидкость переходит в , процесс способен начаться уже с нуля градусов. При повышении температуры увеличивается . Интенсивность этого подтверждают опыты кипения при 100 градусах. Вопросы испарения находят ответ в испарении с поверхностей озер, рек и даже с суши. При охлаждении получается процесс обратного превращения, когда из газа образуется жидкость. Этот процесс называется конденсацией, когда из водяного пара, находящегося в воздухе образуются мелкие капельки облака.

Ярким примером является ртутный градусник, в котором ртуть представлена в жидком состоянии, при температуре -39 градусов ртуть становится твердым телом. Изменить состояние твердого тела можно, но это потребует дополнительных усилий, например при сгибании гвоздя. Зачастую школьники задают вопросы, о том, как же придают форму твердому телу. Этим занимаются на заводах и в специализированных цехах на специальном оборудовании. Абсолютно любое вещество может существовать в трех состояниях, в том числе и вода, это зависит от физических условий. При переходе воды из одного состояния в другое изменяется молекулярное расположение и движение, состав молекулы не меняется. Экспериментальные задания помогут понаблюдать за такими интересными состояниями.

Реки, болота, озера, ледники, моря, океаны – все это вода (рис. 50). Все живое и неживое: любые почвы и горные породы на нашей планете, все предметы, тела, организмы – содержат ее. Например, в человеческом теле на долю воды приходится 60–80 % массы. Для многих живых организмов вода служит средой обитания. Жизнь на Земле зародилась в воде и без воды невозможна. Моря и океаны накапливают тепло, поглощая энергию солнечного света.

Рис. 50. Вода – самое необыкновенное вещество на Земле

С некоторыми свойствами воды вы уже знакомы: она прозрачна, бесцветна, без запаха и вкуса, обладает текучестью, встречается в трех состояниях – жидком, твердом и газообразном.

Летом вы неоднократно отмечали, что земля уже нагрелась, а вода еще долго остается холодной. Входя в воду, вы ощущаете, что ее температура неодинаковая: верхние слои значительно теплее, чем нижние. Перемешивание верхних и нижних слоев производит ветер, вызывающий волнение на поверхности, – чем глубже, тем вода холоднее. Почему вода в рядом расположенных слоях имеет различную температуру?

Чтобы ответить на этот вопрос, поставим следующий опыт.

Возьмем пробирку, положим в нее кусочек льда. Чтобы он не всплывал, можно придавить его сверху маленьким кусочком металла. Затем нальем в пробирку воды. Держа пробирку прищепкой для белья и немного наклонив, нагреваем ту ее часть, где нет льда. Одновременно наблюдаем, что происходит со льдом. Он долго сохраняет твердое состояние. Почему же лед не тает? Вода вокруг кипит, а лед не тает.

Поставленный опыт позволяет сделать вывод: вода не очень быстро передает тепло.

Передача тепла от более нагретой части тела к другой, менее нагретой, называется теплопроводностью. Так как теплопроводность воды не очень большая, то лед в нашем опыте долгое время находится в твердом состоянии.

У воды есть и другое замечательное свойство: нагретая солнечными лучами, она способна долгое время сохранять полученное тепло. Вода как бы накапливает его в себе и удерживает. Она медленно нагревается и медленно остывает. Летом вода в приморских районах, нагреваясь медленнее, чем суша, охлаждает окружающий воздух, а зимой теплое море постепенно остывает, отдавая тепло воздуху и смягчая мороз.

Когда температура опускается ниже 0 °С, вода замерзает и переходит в твердое состояние – лед (рис. 51).

Рис. 51. Лед – твердая вода в природе

Мы знаем, что вода обладает текучестью. Оказывается, и лед при определенных условиях может «течь». На Земле существуют огромные «ледяные реки», медленно стекающие с высоких гор. Их называют ледниками.

Почему же ледники движутся? Оказывается, под огромной тяжестью (толщина некоторых ледников достигает 3–4 км) лед у поверхности Земли начинает подтаивать и превращается в жидкость. Образовавшаяся вода облегчает скольжение, она выступает в роли смазки.

Мы уже говорили, что вода может находиться в газообразном состоянии, т. е. в состоянии водяного пара. Можно ли увидеть водяной пар?

Белое облако, которое образуется по ночам и рано утром в низинах и над водоемами; белый дымок, который вырывается из носика чайника, или белые видимые клубы над сосудом, где закипает вода, – все это не водяной пар, а туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе (рис. 52).

Рис. 52. Туман – мельчайшие капельки воды, образующиеся в воздухе при конденсации водяного пара

Нет никакой разницы между туманом и облаком в небе. Туманы чаще бывают осенью, когда воздух охлаждается быстрее, чем земля или вода. При соприкосновении прохладного воздуха с теплым и образуется туман.

Чем отличается туман от водяного пара? Пар – это газ, прозрачный и невидимый. Видеть водяной пар (воду в газообразном состоянии) невозможно, как нельзя видеть воздух при конденсации водяного пара. Но можно доказать, что водяной пар содержится в воздухе. Например, в воздухе комнаты. Если подержать небольшое зеркало 10–20 мин на улице (при температуре -5 °C или ниже), а потом внести его в теплую комнату, то через несколько минут оно покроется капельками воды. Капельки воды – это бывший водяной пар, который сконденсировался из комнатного воздуха на холодном стекле зеркала. Вода из газообразного состояния – водяного пара, который содержится в комнатном воздухе, от охлаждения при соприкосновении с холодным стеклом зеркала перешла в жидкое состояние.

Количество водяных паров, которое может содержаться в воздухе, зависит от его температуры: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара в нем.

Вода в жидком, твердом и газообразном состоянии образует на Земле оболочку – гидросферу.

1. Как вы думаете, что будет более эффективным в качестве грелки: 2 кг песка при температуре +60 °C или 2 л воды при той же температуре? Ответ объясните.

2. Почему туман образуется по ночам или рано утром?