Căldura specifică, căldura de vaporizare și densitatea apei

Să ne imaginăm că e o zi caldă. Tocmai ce ai stat la soare o vreme și transpiri destul de mult în timp ce stai jos si îți iei un pahar de apă rece cu gheață. Observi alene atât picăturile de sudoare de pe mâna ta, cât și bucățile de gheață ce plutesc în partea de sus a paharului tău. . Mulțumită muncii grele a studierii proprietăților apei, recunoști atât sudoarea de pe mâna ta, cât și cuburile de gheață care plutesc în paharul tău, ca exemple ale capacității minunate a apei pentru a forma legături de hidrogen.

Cum funcționează asta? Moleculele de apă sunt foarte bune la formarea legăturilor de hidrogen, legături slabe între extremitățile parțial pozitive și parțial negative ale moleculelor. Stabilirea legăturii pe bază de hidrogen explică atât eficacitatea răcirii prin evaporare (motivul pentru care transpirația te răcorește) și densitatea scăzută a gheții. (motivul pentru care gheața plutește).

Aici, ne vom uita mai atent la rolurile legăturilor cu hidrogenul în schimbările de temperatură, înghețare și vaporizarea apei.

Apa deține caracteristici chimice unice în toate cele trei stări de agregare- solid, lichid și gaz- mulțumită abilității moleculelor de a crea legături de hidrogen între ele. Dat fiind că vietățile, de la oameni la bacterii, au un conținut mare de apă, înțelegerea caracteristicilor chimice unice ale apei în cele trei stări este esențială pentru biologie.

În apa lichidă, legăturile de hidrogen se formează constant și se rup, pe măsură ce moleculele de apă trec una pe lângă cealaltă. Ruperea acestor legături este cauzată de energia mișcării (energia cinetică) a moleculelor de apă, datorită căldurii acumulate în sistem.

Atunci când căldura este ridicată (de exemplu, când se fierbe apa), energia cinetică a moleculelor de apă cauzează cu atât mai mult ruptura completă a moleculelor de hidrogen și permite ieșirea moleculelor de apă în aer, sub formă de gaz. Observăm acest gaz ca fiind vapori de apă sau aburi.

Pe de altă parte, când temperatura scade și apa îngheață, moleculele de apă formează o structură de cristal menținută de legăturile de hidrogen (întrucât este prea puțină energie termică pentru a rupe legăturile de hidrogen). Această structură face gheața mai puțin densă decât apa lichidă.

Densitatea mai redusă a apei în formă solidă este datorată modului în care legăturile de hidrogen sunt orientate când îngheață. Mai exact, în gheață, moleculele de apă sunt împinse mai departe decât sunt în apa lichidă.

Asta înseamnă că apa se extinde când îngheață. S-ar putea să fi văzut și tu de unul singur dacă ai pus vreodată un recipient de sticlă sigilat, conținând o mâncare aproape apoasă (supă, suc, etc) în congelator, acesta crăpându-se sau explodând atunci când apa lichidă din interior a înghețat și s-a extins.

Pentru majoritatea celorlalte lichide, solidificarea- care apare atunci când temperatura scade și energia cinetică (de mișcare) a moleculelor este redusă- le permite moleculelor să se împacheteze mai strâns în formă lichidă, forma solidă având o densitate mai mare decât lichidul. Apa este o anomalie (adică un standout ciudat) cu densitatea mai mică atunci când e solidă.

Pentru că este mai puțin densă, gheața plutește pe suprafața apei lichide, după cum putem observa la un iceberg sau la cuburile de gheață într-un pahar de ceai cu gheață. Pe lacuri și iazuri, se formează un strat de gheață pe apa lichidă, creând o barieră izolatoare care protejează animalele și viața vegetală, din iaz, împotriva înghețării.

De ce este dăunător pentru viețuitoare să înghețe? Putem înțelege asta, gândindu-ne la cazul sticlei de suc care se crapă în congelator. Când o celulă îngheață, conținutul ei apos se extinde și membrana (ca și sticla de suc) se va sparge în bucăți.

E nevoie de multă căldură pentru a crește temperatura apei lichide deoarece o parte din căldură trebuie să fie utilizată pentru a rupe legăturile de hidrogen dintre molecule. În alte cuvinte, apa are o capacitate termică specifică mare, care este definită de cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui gram de substanță cu un grad Celsius. Cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unui (1) gram de apă este de 1°C și își are propria denumire, caloria.

Datorită capacității termice ridicate, apa poate minimaliza schimbările de temperatură. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de aproximativ cinci ori mai mare decât cea a nisipului. Pământul se răcește mai repede decât oceanul din momentul în care soarele apune, iar apa care se răcește încet poate elibera căldură pământului din apropiere, pe timpul nopții. Apa este, de asemenea, folosită de animalele cu sânge cald pentru a distribui căldură în tot corpul: este asemănător cu sistemul de răcire al unei mașini, deplasarea căldurii din locurile calde spre locurile reci, ajutând corpul să-și mențină o temperatură constantă.

Așa cum e nevoie de căldură pentru a crește temperatura apei aflată în stare lichidă, e nevoie și de o cantitate suplimentară de căldură pentru a trece în vapori o anumită cantitate de apă. Aceasta se explică prin faptul că legăturile de hidrogen trebuie rupte pentru ca moleculele să fie eliberate sub formă de gaz. Adică, apa are o căldură specifică de vaporizare mare, aceasta reprezentând cantitatea de energie necesară pentru a schimba un gram de substanță lichidă în gaz la temperatură constantă.

Căldura necesară vaporizării apei este de aproximativ 540 cal/g la 100°C, punctul de fierbere al apei. Ține minte că unele molecule de apă -cele care au o energie cinetică ridicată- o să scape de pe suprafața apei, chiar și la temperaturi mai joase.

Pe măsură ce moleculele de apă se evaporă, suprafața de pe care se evaporă se va răci, un proces numit răcire de evaporare. Aceasta se întâmplă deoarece moleculele cu cea mai ridicată energie cinetică se pierd din cauza evaporării (pentru mai multe informații vezi video cu răcirea de evaporare. La oameni și alte organisme, transpirația, care este formată din aproximativ 99% apă, prin evaporare, consumă căldură și astfel organismul își menține o temperatură stabilă.