Наступает осень. Суша очень быстро передаёт небольшой запас тепла воздуху и в дальнейшем уже не нагревает его. Иное дело — водные пространства. Поглотив в летние дни огромные количества солнечного тепла, океаны и моря в течение всей зимы непрерывно подогревают воздух. Поэтому зимой на одних и тех же широтах температура воздуха над морем много теплее, чем в глубине материка.
Неравномерное нагревание суши и моря приводит к одному важному явлению в жизни нашей атмосферы. Жители прибрежных стран уже давно заметили, что летом ветер в нижних слоях атмосферы дует с моря, а в зимние месяцы — с суши. Это и понятно. Ведь летом воздух над морем прохладней, чем над сушей. Чем холоднее воздух, тем он плотнее. Поэтому и давление его больше, чем давление тёплого воздуха. Благодаря этому морской воздух устремляется на сушу, к слоям с более высокой температурой и вытесняет их вверх. Зимой картина обратная: холодный воздух суши течёт к морю — к слоям менее плотного воздуха. Такие ветры получили название муссоны (от арабского слова, означающего сезон). Они существенно смягчают климат не только побережья, но и районов, расположенных далеко от моря.
Море в значительной степени сглаживает температурные колебания на суше в течение года. Это хорошо можно проследить на разнице между средними зимними и летними температурами для различных районов Советского Союза. Климат нашего материка в значительной степени смягчается Атлантическим океаном. Чем дальше от океана, тем больше эта разница. Для Ленинграда, Минска, Киева, например, она составляет около 25 градусов, для Архангельска, Москвы, Воронежа и Ростова около 30 градусов, для Урала и средней и нижней Волги — 35 градусов, а для Чкалова и Уральска — почти 40 градусов.
На северо-востоке Сибири разница между средними зимними и летними температурами достигает наибольшего значения для всего земного шара: в Якутске она равна 62,3 градуса, а в Верхоянске 65,9 градуса, несмотря на близость Тихого океана. Объясняется это тем, что Якутия получает от океанов наименьшее количество тепла. От Атлантического океана она находится очень далеко, с юга и востока её отделяют от Тихого океана высокие горные цепи, а с Северного Ледовитого океана в Якутию поступает холодный воздух. Поэтому в районе Верхоянска бывают и самые сильные морозы — до минус 70 градусов.
О смягчающем влиянии Чёрного моря говорит небольшая разница между средними зимними и летними температурами на Черноморском побережье: в Симферополе разница составляет 22,6 градуса, в Ялте — 20,4 градуса, а в Сочи всего 17,5 градуса.
Дальнейшее знакомство с поведением воды при её нагревании сталкивает нас ещё с одной особенностью, выделяющей воду из ряда других веществ.
Как правило, теплоёмкость тела — величина не постоянная. Она возрастает по мере повышения температуры.
Чем выше температура, тем больше надо сообщить телу тепла, чтобы нагреть его ещё на один градус. Исключением из этого правила снова является вода.
Действительно, при нагревании воды от нуля градусов её теплоёмкость не возрастает, как у других тел, а падает. При температуре около 27 градусов теплоёмкость воды достигает своего наименьшего значения; она меньше теплоёмкости при нуле градусов примерно на один процент. При дальнейшем нагревании теплоёмкость начинает расти, и этот рост продолжается даже при температуре выше ста градусов (когда вода нагревается под давлением).
Такая сложная зависимость между теплоёмкостью тела и его температурой известна лишь для немногих веществ.
А как же быть теперь с единицей теплоты — калорией? На странице 23, устанавливая, что такое калория, мы ни словом не обмолвились о температуре. Очевидно, это определение было неверным или, во всяком случае, неточным. В самом деле, для нагревания воды от 5 до 6 градусов надо сообщить воде тепла на 0, 7 процента больше, чем при нагревании от 20 до 21 градуса. Эта величина небольшая, но тем не менее при точных научных расчётах её необходимо учитывать. Поэтому условились за калорию принимать такое количество тепла, которое нагревает на один градус один грамм чистой воды от температуры 14, 5 до температуры 15, 5 градуса. Эта единица тепла очень близка к среднему значению теплоёмкости, измеренной при нагревании воды от 0 до 100 градусов: если всё тепло, затраченное на нагревание одного грамма воды от 0 до 100 градусов, разделить на число градусов, то есть на 100, то получится величина, очень близкая к выбранной калории. Эту калорию обычно называют пятнадцатиградусной калорией.
Чтобы получить представление о калории как единице теплоты, приведём несколько цифр. При сжигании одного килограмма керосина выделяется 11 000 000 калорий, при сжигании килограмма дров — около 4 500 000, спирта — 7 100 000 калорий. Как видно, цифры получаются весьма большие; следовательно, выбранная единица очень мала. Поэтому на практике обычно пользуются единицей, в тысячу раз большей, и называют её большой калорией.
8. Быстро ли тает лёд?
Сейчас для нас потребуются только снег, чашка, термометр и немного терпения. Принесём с мороза чашку снега, поставим её в тёплое, но не горячее место, погрузим в снег термометр и будем наблюдать за температурой. Сначала столбик ртути сравнительно быстро поползёт вверх. Снег при этом остаётся ещё сухим. Достигнув нуля, столбик ртути остановится. С этого момента снег начинает таять. На дне чашки появляется вода, а термометр по-прежнему показывает нуль. Непрерывно перемешивая снег, нетрудно убедиться, что, пока весь он не растает, ртуть не сдвинется с места.
Чем же вызвана остановка температуры и как раз на то время, когда снег превращается в воду? Поступающее к чашке тепло целиком расходуется на разрушение кристалликов-снежинок. И как только последний кристаллик разрушится, температура воды начнёт повышаться.
То же самое явление можно наблюдать и при плавлении любых других кристаллических веществ. Все они требуют некоторого количества теплоты для перехода из твёрдого состояния в жидкое. Это количество, вполне определённое для каждого вещества, называют теплотой плавления.
Величина теплоты плавления для разных веществ различна. И вот именно здесь, когда мы начинаем сравнивать удельные теплоты плавления для различных веществ, вода снова выделяется среди них. Как и удельная теплоёмкость, удельная теплота плавления льда намного превосходит теплоту плавления любого другого вещества.
Чтобы расплавить один грамм бензола, нужно 30 калорий, теплота плавления олова равна 13 калориям, свинца — около 6 калорий, цинка — 28, меди — 42 калории. А чтобы превратить при нуле градусов лёд в воду, необходимо 80 калорий! Такого количества теплоты достаточно для повышения температуры одного грамма жидкой воды от 20 градусов до кипения. Только у одного металла, алюминия, удельная теплота плавления превосходит теплоту плавления льда.
Итак, вода при нуле градусов отличается от льда при той же температуре тем, что каждый грамм воды содержит в себе теплоты на 80 калорий больше, чем грамм льда.
Теперь, зная, как высока теплота плавления льда, мы видим, что нам нет никаких оснований жаловаться иногда, что лёд тает "слишком быстро". Имей лёд такую же теплоту плавления, как большинство других тел, он таял бы в несколько раз быстрее.
В жизни нашей планеты таяние снега и льда имеет совершенно исключительное по своей важности значение. Нужно помнить, что только ледниковый покров занимает более трёх процентов всей земной поверхности или 11 процентов всей суши. В районе южного полюса лежит огромный материк Антарктика, превышающий по размерам Европу и Австралию, вместе взятые, покрытый сплошным слоем льда. На миллионах квадратных километров суши царит вечная мерзлота. Только ледники и вечная мерзлота составляют пятую часть суши. К этому надо прибавить ещё поверхность, занесённую в зимнее время снегом. И тогда можно сказать, что от одной четверти до одной трети суши всегда покрыто льдом и снегом. Несколько месяцев в году эта площадь превышает половину всей суши.
Ясно, что огромные массы застывшей воды не могут не отражаться на климате Земли. Какое колоссальное количество солнечного тепла расходуется только на то, чтобы расплавить весной один снежный покров! Ведь в среднем он достигает около 60 сантиметров толщины, а на каждый грамм надо затратить 80 калорий. Но солнце — такой мощный источник энергии, что в наших широтах оно справляется с этой работой иногда в несколько дней. И трудно представить, какое половодье ждало бы нас, если бы лёд имел, например, такую теплоту плавления, как свинец. Весь снег мог бы растаять за один день или даже за несколько часов, и тогда разлившиеся до необычайных размеров реки смыли бы с поверхности земли и самый плодородный слой почвы, и растения, принося всему живому на Земле неисчислимые бедствия.
Лёд, плавясь, поглощает огромное количество тепла. Такое же количество тепла отдаёт вода при замерзании. Если бы вода имела небольшую теплоту плавления, то наши реки, озёра и моря, вероятно, застывали бы после первых же заморозков.
Итак, к большой теплоёмкости воды прибавилась ещё одна замечательная особенность — большая теплота плавления.
9. Невидимый переносчик тепла
Следующая особенность воды, мимо которой мы не можем пройти ввиду её исключительной важности, касается перехода жидкой воды в пар. Продолжим дальше опыт, начатый со снегом (стр. 27). После того как весь снег превратился в воду, поставим нашу чашку на горячую плиту и будем наблюдать за термометром. Вода станет нагреваться, и ртуть термометра поползёт вверх. С ровной спокойной поверхности воды выделяется пар. Он невидим, но его легко обнаружить, если поднести к поверхности воды сравнительно холодный предмет, например зеркало: пар охладится и сгустится в мельчайшие капельки, которые затуманят поверхность зеркала. То же самое бывает и с горячим паром, вырывающимся из отверстия в крышке чайника при кипении воды. Струя пара вблизи самого отверстия горяча и невидима, но на некотором расстоянии от отверстия пар уже успевает охладиться воздухом, и мы хорошо видим струю тумана.