Căldura specifică, căldura latentă 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 eforturilor depuse în studierea 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 de 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. Formarea legăturii de hidrogen explică atât eficacitatea răcirii prin evaporare (de ce te răcorește transpirația) și densitatea scăzută a gheții (de ce plutește gheața).

Aici, ne vom uita mai atent la rolurile legăturilor de hidrogen în schimbările de temperatură, îngheț 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 mai mare a moleculelor de apă face ca legăturile de hidrogen să se rupă complet și permite moleculelor de apă să ajungă în aer sub formă de gaz. Observăm acest gaz ca vapori de apă sau abur.

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

Densitatea mai redusă a apei în formă solidă se datorează modului în care sunt orientate legăturile de hidrogen când îngheață. Mai exact, în gheață, moleculele de apă sunt mai îndepărtate decât sunt în apa lichidă.

Asta înseamnă că apa se dilată 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 predominant apoasă (supă, suc, etc) în congelator că acesta a crăpat sau a explodat atunci când apa lichidă din interior a înghețat și s-a dilatat.

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 compact în formă lichidă, forma solidă având o densitate mai mare decât lichidul. Apa este o anomalie (adică un caz 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 contra înghețului animalele și viața vegetală din iaz.

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 dilată și membrana (ca 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. Cu alte cuvinte, apa are o căldură 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 cu 1°C are propria denumire, caloria.

Datorită căldurii specifice ridicate, apa poate minimaliza schimbările de temperatură. De exemplu, căldura 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 este nevoie de multă căldură pentru a crește temperatura apei aflate în stare lichidă, este nevoie și de o cantitate neobișnuită de căldură pentru a vaporiza 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 latentă de vaporizare mare, aceasta reprezentând cantitatea de energie necesară pentru a schimba un gram de substanță lichidă în gaz la temperatură constantă.

Căldura latentă de vaporizare a 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 prin evaporare. Aceasta se întâmplă deoarece moleculele cu cea mai ridicată energie cinetică se pierd din cauza evaporării (pentru mai multe informații vezi clipul cu răcirea prin evaporare). La oameni și alte organisme, evaporarea transpirației, care este aproximativ 99% apă, răcește corpul pentru a menține o temperatură stabilă.