Vysoká měrná tepelná kapacita vody a její důsledky

Voda, často nazývaná "kapalinou života", je mnohem víc než jen jednoduchá kombinace molekul vodíku a kyslíku. Je to složitá látka s jedinečnými vlastnostmi, díky nimž je nepostradatelná pro všechny formy života. Voda se skládá ze dvou atomů vodíku vázaných na jeden atom kyslíku, které tvoří chemický vzorec H2O. Molekula vody je poměrně jednoduchá, vyznačuje se však řadou překvapivých vlastností. Je biologicky nejdůležitějším polárním rozpouštědlem a nejrozšířenější sloučeninou na Zemi.

Zásoby vody na Zemi se odhadují na 1,5 mld. km3. Drtivou většinu z toho (95 %) tvoří slaná voda v oceánech. Přibližně 3 % světových zásob vody se nacházejí ve formě vody podzemní, přičemž zhruba dvě třetiny jsou rovněž slané. Sladkou vodu najdeme kromě podzemí zejména v ledovcích (1,7 %) a pouze méně než 0,2 % zbývají na sladkou vodu povrchovou a atmosférickou.

Z celkového povrchu Země 510 mil. km2 pokrývají oceány a moře 360,7 mil. km2 (70,7 %) a pevnina 149,3 mil. km2 (29,3 %). Na mapě pevniny bychom naměřili asi 4 mil. km2 jezer, rybníků a vodních nádrží a 0,77 mil. km2 řek.

Anomálie vody

Voda má mnoho zajímavých fyzikálních a chemických vlastností. Její molekula se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku, přičemž vodíky jsou na kyslík navázané nikoliv symetricky naproti sobě, ale v úhlu 105°. Kyslík zároveň od vodíku přetahuje na svou stranu elektrony, takže navenek je kyslík zdrojem záporného náboje a vodík kladného. To mj. způsobuje, že molekuly vody jsou k sobě přitahovány tzv. vodíkovými můstky, které jsou zase jednou z příčin tzv. tepelné roztažnosti vody.

Drtivá většina látek se vzrůstající teplotou zvyšuje svůj objem. To se v případě vody děje stejně, ovšem s výjimkou teplotního rozmezí od 0 do 3,8 °C. V tomto intervalu se při zahřívání hustota vody zvyšuje (objem se tedy zmenšuje), ochlazováním naopak klesá hustota a zvětšuje se objem. V zimě, působí-li na hladinu rybníka mráz, voda se ochladí na 3,8 °C a klesne ke dnu, protože má nejvyšší hustotu. Pokud ochlazování pokračuje, chladnější voda již zůstává nahoře, kde se změní v led. Ten, jelikož je lehčí než kapalná voda, plave a vytvoří příkrov nad tekutou vodou pod sebou, v níž mohou přežívat ryby a další vodní živočichové.

Čtěte také: Sazba DPH pro dřevěné odpady

Další dvě fyzikální vlastnosti brání tomu, aby vodní nádrže promrzaly příliš rychle a v led se během zimy proměnila veškerá jejich voda. Nízká tepelná vodivost způsobuje, že teplo prostupuje vodou velmi pomalu. Než tedy energie z teplejšího dna vystoupá ke studenějšímu povrchu, trvá to poměrně dlouho. Naproti tomu vysoká měrná tepelná kapacita znamená, že k ohřátí jednoho litru vody potřebujeme poměrně velké množství energie. To platí i opačně: k ochlazení je třeba velké množství energie odebrat. Je-li nádrž dostatečně hluboká, nestihne voda v průběhu chladného období odevzdat všechno naakumulované teplo do vzduchu a ve spodních vrstvách se udrží velmi dlouhou dobu v tekutém stavu.

Měrná tepelná kapacita vody

Co znamená a jak se u vody v různých prostředích projevuje tzv. Měrná tepelná kapacita je udávána jako množství tepla, které musíte látce dodat, aby se 1 kg této látky ohřál o 1° C. Měrná tepelná kapacita vody je 4,1 krát větší než vzduchu, téměř 10 krát vyšší než u železa a skoro 33 krát vyšší než u zlata. Díky tomu, že jsou naše těla v průměru tvořena ze 75 % vodou, naše tělo udržuje lépe konstantní teplotu. Vzpomeňte si, jak snadno se v létě začnete přehřívat, pokud nedodržujete v horkých dnech pitný režim. Vysoká měrná tepelná kapacita vody hraje velkou úlohu i pro stabilitu klimatu na naší planetě.

Důsledek velké měrné tepelné kapacity vody můžeme nejlépe vidět, když porovnáme poušť a přímořské letovisko. Zatímco u moře voda během dne teplo přijímá, ohřívá se a ochlazuje okolní vzduch, v noci voda přijaté teplo uvolňuje a ohřívá vzduch. Na poušti, kde voda chybí, dochází během dne k velkému ohřívání vzduchu a písku. Měrná tepelná kapacita písku je 5,1 krát nižší než je tomu u vody, tzn. že písek se nejen rychle ohřívá, ale po západu slunce se rychle ochlazuje. Důsledkem toho jsou pak velké výkyvy v teplotě na poušti ve dne a v noci, které mohou dosahovat až desítek stupňů Celsia. Zatímco v přímořském letovisku bude rozdíl teploty během dne a noci jen několik málo stupňů.

Podíl měrné tepelné kapacity vody a izobarické měrné tepelné kapacity vzduchu je cH2O/ cV vzduch = 4186 J kg-1 K-1/1400 J kg-1 K-1 = 2,99 ≈ 3.

Voda a skleníkový efekt

Kapitola nastíní problematiku skleníkové efektu. V učebnici se jí jen teoreticky dotkneme a v metodice vám nabídneme dva fyzikální úkoly. Je důležité, aby žáci věděli, že bez skleníkové efektu by život na souši (ani v oceánech tak jak vypadá v současné podobě) nebyl možný. Ale nic se nemá přehánět, zasahujeme do energetické bilance na Zemi dost významně. Žáci by si měli odnést informaci, že největším problémem jsou skleníkové plyny (CO2, CH4…). Snížením tmavých ploch (např. asfalt, tmavé střechy) snížíme i pohlcování slunečního záření a tím i ohřívání povrchů. Zemský povrch vyzařuje infračervené záření (teplo) do atmosféry. Když nejsou na obloze mraky, otevírá se tzv. atmosférické okno.

Čtěte také: Kompostování krok za krokem

Důsledky budou:

• změna albeda - silnice a zoraná pole pohlcují více sluneční energie
• ztráta uhlíkových zásobníků - lesy váží CO₂
• snížení biodiverzity - monokultury a zástavba neposkytují rozmanité prostředí
• změna vodního režimu - méně vsakování, rychlejší odtok vody, sušší klima
• zesílení klimatických extrémů - půda bez vegetace se přehřívá nebo vysychá

Nyní je příkon sluneční energie pohlcené Zemí o ΔF ≈ 1 W·m-² větší než její vyzařování do vesmíru (tzv. Earth Energy Imbalance). Vyjde nesmyslně rychlé oteplování - a to je pointa: ukázat, proč ve skutečnosti většina přebytku mizí do oceánů (okolo 90 %), něco do tání ledu a ohřevu pevnin.

Snížením emisí skleníkových plynů - hlavně CO₂, ale i metanu a oxidů dusíku - docílíme zpomalování globálního oteplování, zlepšení kvality ovzduší a zvýšení energetické bezpečnosti.

Kvalita vody a její znečištění

Voda je díky svým jedinečným vlastnostem neocenitelná pro život, ale její kvalitu mohou zhoršit různé formy znečištění. Pochopení chemických aspektů kvality vody je pro ochranu tohoto vzácného zdroje nezbytné. Hladina pH je rozhodujícím ukazatelem kvality vody. Měří kyselost nebo zásaditost vody a může ovlivnit rozpustnost minerálů a plynů a zdraví vodních organismů.

Kvalitu vody mohou zhoršovat různé chemické kontaminanty, včetně těžkých kovů, jako je olovo a rtuť, organických sloučenin, jako jsou pesticidy, a anorganických iontů, jako jsou dusičnany a fosforečnany. Cílem úpravy vody je odstranit nebo neutralizovat chemické kontaminanty.

Čtěte také: Škoda a emisní normy

Voda ve vesmíru

Odhadnout množství vody na tělesech sluneční soustavy se ve své práci pokusil planetolog z Jet Propulsion Laboratory NASA Steve Vance. Podle jeho výpočtů se nejvíce této tekutiny nachází na největším Jupiterově měsíci Ganymedes. Voda tvoří více než dvě třetiny objemu Ganymeda a jenom v kapalném stavu by jí zde mělo být sedmadvacetkrát víc než na Zemi. Druhý v pořadí je Saturnův měsíc Titan. Množství kapalné vody na něm přesahuje objem zemské vody čtrnáctkrát a celkově se na jeho objemu voda podílí 44 %.

I další tělesa Sluneční soustavy jsou na vodu poměrně bohatá, Země se s pouhými 0,12 % vody ve svém složení řadí do velmi „suché“ části žebříčku. Podle některých teorií má většina pozemské vody svůj původ v kometách, které se s naší planetou kdysi srazily. Dnes jsou zbylé komety soustředěny v tzv. Oortově oblaku, nacházejícím se ve vzdálenosti asi 50 000 astronomických jednotek od Slunce.

Zatím největší zásobárna vody ve vesmíru byla objevena v galaxii APM 08279+5255 vzdálené od nás více než 12 miliard světelných let.

Energetická bilance Země

Princip skleníkového efektu vyplývá z radiační (energetické) bilance Země. Sluneční energie dopadající na Zemi musí být v dlouhodobém režimu vyrovnána celkovému množství energie, které je Zemí vyzařováno. V opačném případě by došlo k destabilizaci klimatického systému. Zemi opouštějí dva základní druhy záření, odražené sluneční záření a dlouhovlnné tepelné vyzařování Země. Odražené sluneční záření představuje asi 30 % z celkového slunečního záření (20 % odráží oblaka, 6 % atmosféra a 4 % zemský povrch).

I Země podobně jako Slunce vydává tepelné záření. Protože je však zemský povrch mnohem chladnější než sluneční, musí v souladu se zákonem Wienova posunu vyzařovat tepelnou energii na mnohem delších vlnových délkách. Mluvíme tak o dlouhovlnném vyzařování Země. Zemská atmosféra díky svému chemickému složení propouští viditelné a krátkovlnné infračervené záření, dlouhovlnné záření však nikoliv. Dochází tak k absorpci 71 % povrchového tepelného záření.

Dohromady s teplem získaným přímou absorpcí slunečního záření a teplem přineseným konvekčním prouděním a kondenzací vodních par (latentní teplo) vytváří atmosféra nad zemským povrchem přikrývku podobnou poklici nad hrncem. Z naznačené energetické bilance je vidět, že atmosférou a zemským povrch je absorbováno 235 W.m-2. Stejné množství energie je také vyzářeno do vesmíru. Kladný zbytek (zpětné záření atmosféry 324 W.m-2 - odražené dlouhovlnné záření 235 W.m-2 = 89 W.m-2) se pak podílí na oteplování atmosféry. Energie tepelného vyzařování Země se zvyšuje, dokud se nevyrovnají ztráty pohlcováním atmosférou a neustaví se teplotní rovnováha.

Teplotní režim atmosféry

Teplotní režim atmosféry zahrnuje rozložení teploty vzduchu v rámci denního a ročního chodu, stejně jako sledování jejich neustálých změn zahrnujících i sledování teploty povrchu půdy a jejího podloží. Amplituda (rozdíl nejvyšší a nejnižší hodnoty) teploty vzduchu je však v porovnání s výkyvy teplot aktivního povrchu méně výrazná a snižuje se s rostoucí nadmořskou výškou.

Roční chod teploty vzduchu závisí zejména na režimu výměny vzduchových hmot, zeměpisné šířce a stupni kontinentality. Křivky ročního chodu teploty se převážně vyznačují jedním maximem a jedním minimem.

Změna teploty vzduchu s výškou se v meteorologii označuje jako vertikální teplotní gradient. Ten se určuje pro interval výšky 100 m a jeho průměrná hodnota v troposféře je 0,65 °C na 100 m. Tato hodnota není neměnná, ale závisí na denní a roční době, nadmořské výšce a poloze místa.

Alternativy vody

Standardní molekula vody obsahuje vodík, jehož atomová jádra jsou tvořena pouze protonem. V některých molekulách má však vodík ve svém jádře kromě protonu také neutron. Takový vodík má oproti běžnému dvojnásobnou hmotnost a označuje se jako deuterium. Voda z něho nese název těžká voda. V přírodě je těžká voda přirozenou součástí normální vody, vyskytuje se v ní však pouze ve stopovém množství. Od běžné vody se odlišuje některými fyzikálními vlastnostmi a lidé ji využívají například při řízení štěpných reakcí v jaderných reaktorech.

Další zajímavou variantou je tzv. kovová voda. Jedná se o vodu, která se chová jako kov a měla by být přítomna v jádrech velkých planet. Vzhledem k velmi vysokému tlaku potřebnému k jejímu vzniku se až do nedávna předpokládalo, že v pozemských podmínkách ji nelze získat. Týmu vědců pod vedením Pavla Jungwirtha z Akademie věd ČR se však v roce 2021 podařilo uskutečnit experiment, při kterém kovovou vodu vyrobili bez nutnosti využívat extrémní tlak. Na rozdíl od těžké vody nemá kovová voda zatím žádné praktické využití, nicméně metoda jejího získávání se může uplatnit při výrobě jiných materiálů.

V lékařství a kosmetice se používá borová voda, která je slabým roztokem kyseliny borité (H3BO3). V nízké koncentraci má dezinfekční účinky a pomáhá např. při léčbě zánětů očí nebo uší. Dříve se kyselina boritá přidávala i jako konzervant do potravin, Evropská agentura pro chemické látky (ECHA) ji však zařadila na seznam látek vzbuzujících mimořádné obavy, a proto se již v potravinářství (až na výjimky) nepoužívá.

Vlastnosti vody

Voda je dvouprvková sloučenina kyslíku a vodíku se sumární vzorcem H2O. Je biologicky nejdůležitějším polárním rozpouštědlem a nejrozšířenější sloučeninou na Zemi. Pokrývá 70,7 % zemského povrchu. Je nezbytná pro všechny živé organismy. Voda v živých organismech zaujímá více než polovinu (cca 60-99 %) jejich objemu v závislosti na druhu organismu. Podílí se na termoregulaci, přenosu látek, udržuje pH, odstraňuje zplodiny metabolismu a figuruje jako reakční prostředí.

Voda je bezbarvá, čirá kapalina bez chuti a bez zápachu. Bod tání vody je 0 °C, bod varu je 100 °C , z čehož i vyplývá Celsiova teplotní stupnice. Hustota vody se od 0 °C do 3,98 °C zvyšuje, poté s vzrůstající teplotou klesá. Při snižování teploty dochází opět k poklesu hustoty nepřímo úměrně ke zvyšujícímu se objemu. Z tohoto důvodu led plave na vodě (má menší hustotu než voda). Na rozdíl od všech běžných látek, kde platí pravidlo, že při zvyšování teploty se objem zvětšuje a při snižování teploty zmenšuje ve všech teplotních intervalech. Nejvyšší hustota vody (1 g/cm3) je při 3,98 °C. Tento jev se nazývá anomálie vody. Má význam pro vodní živočichy tím, že na povrchu vody se vytvoří vrstva ledu, která brání dalšímu promrzání. Led má větší objem než kapalná voda. Při tání svůj objem zmenšuje, při tuhnutí zvětšuje. Krystalová struktura ledu obsahuje kanálky, kam odtéká tající voda, když dochází k rozrušení krystalové struktury. Neuspořádanost molekul kapalné vody v kanálcích způsobí menší objem než by byl v případě uspořádané krystalové mřížky. Relativní zvětšení objemu je 9 %.

Viskozita vody klesá se zvyšováním teploty. Povrchové napětí klesá s vzrůstající teplotou. Povrchové napětí vody je druhé největší z běžných látek. Toto je důležité v kapilárních jevech. Je snižováno chemickými pracími prostředky. Voda má velice malou tepelnou vodivost, což zabraňuje zamrzání vody do větších hloubek. Elektrická vodivost závisí na obsahu iontů ve vodě. Čistá voda je velice málo elektricky vodivá. S přidáním iontů se elektrická vodivost vody výrazně zvyšuje. Měrná tepelná kapacita je u vody poměrně vysoká (4184 J⋅kg−1⋅K−1 při 20 °C). Jevu je využíváno v ústředním topení. Voda z hlediska reaktivity patří mezi nejstálejší sloučeniny. Na vodík a kyslík se rozkládá až za vysokých teplot. Tvarem molekuly vody je čtyřstěn s úhlem 105°. Tvar je dán 2 volnými elektronovými páry na kyslíku. Kyslík nese částečný (parciální) záporný náboj a vodíky parciální kladný náboj. Za nerovnoměrné rozmístění elektronové hustoty mezi vodíky a kyslíkem může elektronegativita. Přítomnost vodíků umožňuje tvorbu vodíkových můstků. Ovlivňují chemické i fyzikální vlastnosti a to zejména polaritu, teplotu tání, teplotu varu a skupenství. Celá molekula je polární, a to díky polaritě vazeb mezi kyslíkem a vodíkem a dipólovému momentu. V přírodě se voda nevyskytuje čistá, ale s určitým množstvím rozpuštěných látek.

Destilovaná voda má pH 7. Dle rozpuštěných látek se pH mění. Tvrdost vody je častou překážkou v běžném užívání vody. Je způsobena některými rozpustnými solemi vápníku a hořčíku. Rozlišujeme dva typy tvrdosti vody. Tvrdost přechodnou a trvalou. Trvalá tvrdost vody je způsobena hlavně sírany a chloridy.

tags: #jake #dusledky #ma #vysoka #merna #kapacita

Oblíbené příspěvky:

• Podmínky pro získání plakety
• Nebezpečí emisí
• Proč jíst ovesnou kaši?
• Srovnání odpadkových košů Heidrun
• Nakládání s odpadem 180101