Ogromne znaczenie dużej wartości ciepła właściwego wody dla klimatu i życia na ziemi

Ciepło właściwe

Ilość ciepła pobranego przez jednostkę masy danego układu powodująca wzrost temperatury układu o jeden stopień Kelvina (1K).

Temperatura wody

Temperatura wody jest jednym z najważniejszych fizycznych czynników regulujących procesy życiowe w środowisku wodnym. Poszczególne gatunki organizmów mają swoiste zakresy temperatur, w których mogą normalnie żyć i rozwijać się. Nagłe zmiany temperatury nieraz już w zakresie 10 o C powodować mogą uszkodzenia ciała organizmów lub nawet ich śmierć. Dla zwierząt bardziej niebezpieczne są temperatury wyższe (spadek zawartości tlenu) niż niższe.

Temperatura wód powierzchniowych oprócz strefy klimatycznej i wysokości nad poziomem morza, które decydują o temperaturze powietrza i nasłonecznieniu, zależy ponadto od typu obiektu wodnego, zwłaszcza jego głębokości, ruchu i mieszania się mas wodnych, dopływu przemysłowych wód podgrzanych oraz wielu innych czynników.

Źródłem ciepła w wodzie jest energia słoneczna (adsorpcja promieni) i oddawanie ciepła przez powietrze oraz w niewielkiej skali przez grunt dna zbiornika. To ostatnie źródło ma jedynie znaczenie w przypadku wód gruntowych i źródlanych. Na przedwiośniu energia słoneczna nagrzewa powierzchniową warstwę wody (0,5 m) nawet pod pokrywa lodową.

Temperatura wód słodkich waha się w granicach 0 – 42 o C. W naszej strefie klimatycznej temperatura wód naturalnych najczęściej nie przekracza 30 o C. Umownie dzielimy wody na zimne (0 – 14 o C), umiarkowane (15 – 25 o C) i ciepłe (> 25 o C). Do wód zimnych należą wody gruntowe, wody potoków i jezior górskich, zwłaszcza zasilanych wodami lodowców (np. w Alpach) oraz wody stref podbiegunowych. Sezonowe wahania temperatury powierzchniowych wód są w naszym klimacie dość znaczne, ale przebiegają łagodnie i nie powodują przeważnie większych ujemnych skutków. W rzekach temperatura wody wzrasta zwykle z odległością od źródeł. Najmniejszą amplitudą wahań temperatury odznaczają się wody wgłębne i cieplice. Źródła zbierające wodę zaskórna mają wodę o nieco bardziej zmiennej temperaturze. Natomiast najbardziej zmienne termicznie są wody płytkich zbiorników. Do wód o małej zmienności termicznej zaliczmy wody, których wahania temperatury wynoszą 5 – 10 o C, do średniej 11- 20 o C, a dużej kiedy te wahania przekraczają 20 o C. W jeziorach i innych głębszych zbiornikach występuje w wodzie pionowe uwarstwienie termiczne. Nie istnieje natomiast takie zjawisko w rzekach, w których woda jest ustawicznie mieszana.

Temperaturę wody możemy mierzyć przy pomocy przystosowanych do tego celu termometrów (maksymalnych, minimalnych) oraz różnych metod aparaturowych.

Ciepło właściwe wody

Ciepło właściwe wody jest to ilość ciepła (w kilokaloriach lub dżulach) potrzebna do ogrzania 1 kg jej masy o jeden stopień Celsjusza. Woda jest jedną z substancji (obok ciekłego wodoru i litu) o najwyższej wartości ciepła właściwego i jest równocześnie bardzo złym przewodnikiem. Oznacz to, że do ogrzania określonej masy wody potrzeba kilka, a nawet kilkadziesiąt razy więcej ciepła niż np. dla ogrzania jakiegoś metalu.

I na odwrót, w razie obniżenia się temperatury otoczenia (powietrza) woda oddaje do niego znacznie więcej ciepła aniżeli jakiekolwiek inne ciało ciekłe lub stałe. Ciepło właściwe skał wynosi zaledwie ok. 0,200, natomiast wody 1,000, a lodu 0.500.

Duże ciepło właściwe wody i powolne jego zmiany, wynikające ze złego przewodnictwa w niej ciepła, stanowią bardzo ważne zjawisko w przyrodzie. Mianowicie w środowisku wodnym panują przez to bardziej stabilne termiczne warunki bytu dla organizmów niż na lądzie. Poza tym powolne wydzielanie się ciepła do otoczenia z większych mas wodnych (oceany, morza, jeziora) przyczynia się do złagodzenia klimatu w przyległych obszarach. Oddawanie ciepła przez wodę zmniejsza też w otoczeniu różnice między temperaturami dnia i nocy. Powstają więc strefy tzw. Morskiego klimatu lub w otoczeniu większych jezior – strefy mikroklimatu.

Straty cieplne z wody zbiorników wodnych i rzek odbywają się w wyniku wypromieniowywania, parowania oraz przewodzenia go w powietrze i w grunt dna. Istotne znaczenie ma przy tym ruch powietrza i mieszanie mas wodnych. Na stratę ciepła z danego środowiska wodnego, oprócz temperatury i ciśnienia powietrza, wpływa także wielkość powierzchni parowania oraz zawartość w wodzie soli mineralnych.

Przy obliczaniu zapasu cieplnego całego zbiornika wodnego należy najpierw podzielić masę wód zbiornika na warstwy, np. o grubości 1 m, obliczyć objętość wody w tych wydzielonych warstwach i zmierzyć ich temperaturę Następnie sumując iloczyny objętości i średniej temperatury poszczególnych warstw otrzymamy zapas ciepła całego zbiornika. Do obliczeń zmian zapasu ciepła w wodzie w ciągu roku jako stałą temperaturę wody w zimie przyjmuje się 4 o C.

Cząsteczki wody, łącząc się wiązaniami wodorowymi, tworzą agregaty, tzn. stale dołączają do nich nowe cząsteczki, a odłączają się inne. Liczba tych cząsteczek jest funkcją temperatury. W temperaturze ok. 0 o C jest ich ok. 65, a w ok. 100 o C tylko 12.
W wyniku łączenia się cząsteczek w asocjaty woda uzyskuje niezwykłe właściwości:
1) ma największą gęstość w temperaturze bliskiej +4 o C,
2) napięcie powierzchniowe czystej wody jest większe niż innych cieczy (z wyjątkiem rtęci), co umożliwia życie różnym organizmom na lub przy powierzchni wody,
3) wielkie znaczenie dla organizmów poruszających się w wodzie ma jej znaczna lepkość,
4) skłonność wody do tworzenia połączeń sprawia, że woda ma dużą pojemność cieplną, tzn. że temperatura topnienia, parowania i wrzenia wody są wysokie.
Silne oddziaływanie dipolowych cząsteczek wody z substancjami wprowadzonymi do cieczy powoduje, że ulegają procesom: hydratacji, dysocjacji elektrolitycznej, hydrolizie, czy w przypadku gazów rozpuszczeniu.

Gęstość

W trójwymiarowej sieci zamarzniętej wody jej cząsteczki są dość luźno ułożone. Kiedy woda się topi, jej cząsteczki zbliżają się do siebie i jej gęstość rośnie. Przy przechodzeniu wody z lodu w stan ciekły następuje skokowy wzrost gęstości o ok. 8,5% i dlatego topiący się lód utrzymuje się na powierzchni wody i nie tonie. Jeśli temperatura dalej wzrasta, od asocjatów odłączają się następne cząsteczki, wskutek czego gęstość wody wzrasta. Przy dalszym wzroście temperatury wzrasta także rozszerzalność cieplna, która prowadzi z kolei do zmniejszenia gęstości.

Woda osiąga największą gęstość w temperaturze +4 o C. Ta ważna właściwość wody umożliwia przeżywanie organizmom w wodach śródlądowych. Najgęstsza woda zbiera się przy dnie. Lód pokrywający powierzchnię jeziora izoluje głębiej położone masy wody i chroni je przed dalszym ochładzaniem. Tak więc nawet podczas surowej zimy głębiej położone masy wody stwarzają środowisko życia. Przy dalszym wzroście temperatury wzrasta rozszerzalność cieplna i gęstość maleje. Gęstość wody może ulec obniżeniu wskutek wzrostu zawartości soli i ciśnienia hydrostatycznego.