Читать книгу Дерзкие мысли о климате - Лев Иванович Файко - Страница 14

Нет смысла подробно объяснять, что такое фазовый переход, поскольку достаточно твердые представления об этом даются уже в общеобразовательной школе. Но обратим внимание на нередкие случаи непреднамеренного искажения этих представлений, порождающих паралогизмы и целый ряд вытекающих из них сложностей в изучении и описании тепловых явлений в гидросфере.

Фазовым переходом первого рода называется термодинамический процесс, при котором энтальпия, плотность и другие характеристики вещественной среды изменяются скачком. Для осуществления такого перехода необходимо подводить или отводить теплоту, называемую теплотой фазового перехода и измеряемую скачком энтальпии при фазовом переходе в условиях постоянства температуры и давления.

Теплота фазового превращения для уточнения направленности перехода, например, «вода – лёд» называется либо теплотой кристаллизации, то есть количеством тепла, отводимым от воды при затвердении и соответствующем уменьшении её энтальпии, либо теплотой плавления – количеством тепла, подводимым для перехода льда в воду при соответствующем увеличении энтальпии. Для других случаев фазового перехода первого рода применяются другие термины, например, теплота испарения, теплота сублимации и так далее.

Из справочных источников ныне исчезает менее строгий термин «скрытая теплота», характеризующий изменение энтальпии при фазовом переходе. Недостатком толкования старого термина была не столько его некоторая неопределенность, сколько возможность нечеткого толкования следовавших за ним пояснений, давших пищу для заблуждений в понимании теплообмена при фазовом переходе.

Вот типичный пример прежнего толкования:

«Скрытая теплота – количество теплоты, поглощаемого телом или системой тел при фазовых превращениях (плавлении, испарении и тому подобное) без изменения температуры тела и выделяемое телом при обратном фазовом переходе (отвердении, конденсации и т. д.)» (БСЭ, изд. 2-е, т. 39, 1956). Здесь причастия «поглощаемое» и «выделяемое» как бы наделяют фазовый переход мистической способностью поглощать «всасывать» или «выделять», как независимый источник, теплоту. Старый термин, вместе с его неудачным дополнением, отжил, а следы непреднамеренно порожденной двусмысленности дают о себе знать.

В одной из работ доктора наук профессора читаем: «Процессы охлаждения воды и выделения тепла при кристаллизации льда взаимосвязаны». Не сложно заметить, что «охлаждение» и «выделение» тепла – это одно и то же. Здесь отнюдь не два самостоятельных процесса, между которыми надо искать взаимосвязь. Но когда допущено раздвоение (дуализм), можно не удивляться далее вытекающему из него курьезному рассуждению: «Если бы эти процессы не имели связи между собой, то в период замерзания вода в реке настолько переохладилась, что полностью превратилась бы в лёд, или наоборот, при образовании льда выделялось бы столько тепла, что весь процесс льдообразования прекратился бы вовсе, так как температура воды была бы значительно выше 0°».

Рис. 3. Типичный ход температуры воздуха (пунктирная линия) и воды (кривая) перед образованием на ней льда. Временное падение температуры воды ниже 0 °C вызывается её переохлаждением из-за отсутствия ядер кристаллизации.

В более известной, неоднократно переизданной работе В. В. Шулейкина (1962, с.70) можно прочесть: «При таянии каждого грамма льда поглощается, как известно, около 80 кал, которые отнимаются от окружающей воды». Это уже грубая ошибка – от воды, покрытой льдом, теплота таяния отниматься не может, поскольку в присутствии льда вода уже предельно охлаждена и, далее отдавая тепло, может только замерзать. В этой же работе, как итог всех рассуждений, показан тепловой баланс «Ледовитого» моря, в котором теплота кристаллизации значится в приходе тепла морю, а теплота плавления – в расходе. Здесь уже все поставлено с ног на голову. Я не умолчал фамилию автора этой широко известной работы, безусловно талантливого и крупного ученого, академика, чтобы показать, как за спиной его авторитета в науку проникла ошибка, далеко уводящая от истины. К слову сказать, мои ранние попытки указать на эту ошибку всегда оборачивались против меня же. Зато публиковались работы, призванные как бы развеять туман над неясностями физики фазовых превращений. Но туман ещё более сгущался.

В работе тоже доктора наук профессора, адресованной специалистам и студентам, для этого используется известный график типичного хода температуры начала образования льда в воде дополненный нами (рис. 3).

Он объясняет отклонение графика температуры воды вверх тем, что «с возрастанием интенсивности кристаллизации увеличивается количество выделяющегося в воду тепла…». Как видно, здесь опять кристаллизация становится источником тепла для воды. Но очевидно, что теплота кристаллизации, как всякая теплота, при неоднородном поле температуры может передаваться (отводиться, изыматься) только в среду, имеющую температуру ниже температуры замерзания воды. Для замерзающего водоёма такой средой является атмосфера и только ею и в ее сторону вынужденно изымается теплота кристаллизации.

Что касается изгиба на графике температуры начала замерзания, то он вызывается некоторым переохлаждением воды из-за недостатка ядер кристаллизации – условия, необходимого для начала замерзания. Как только ядро кристаллизации попадает в такую воду, её переохлаждение мгновенно реализуется на образование соответствующего дополнительного количества льда уже вне связи с продолжающейся потерей тепла водой в атмосферу. Такой процесс скоро и неизбежно вызывает повышение температуры вновь образующегося льда до температуры нормального замерзания воды, что и отражает график. Количество образующегося таким путём льда легко определяется, если известна температура, до которой переохлаждалась вода.

Очевидно, что теплота кристаллизации не может выделятся в воду, равно как и теплота плавления не может отвлекаться из воды в присутствии льда. Когда это положение четко усвоено, то становится понятной простая зависимость, что на водоёмах количество теряемой и усваиваемой теплоты фазовых переходов прямо соответствует количеству намерзающего или стаиваемого льда.

Покажем, как далеко от истины уводит ученых нечеткое представление об этих положениях. Так, в работе А. А. Лебедева и Н. С. Уралова (1981), озаглавленной «Результаты оценки тепла фазовых превращений морского льда в северном полушарии Земли», уже настораживает заглавие – зачем оценивать особо теплоту фазовых превращений, если уже производились многочисленные оценки, в том числе и указанными авторами, объёмов намерзания льда в северном полушарии? Не пустая ли это работа?

С первых строк в работе обнаруживаются последствия прижившихся ошибок. И здесь теплота кристаллизации относится в приходную часть теплового баланса океана, а теплота плавления – в расходную, хотя очевидно, что с потерей теплоты кристаллизации энтальпия океана уменьшается, а при усвоении теплоты плавления увеличивается. Авторы делают заключение, что при образовании и таянии льда в Арктическом бассейне и его морях усваивается и теряется одинаковое количество теплоты кристаллизации и теплоты плавления. Но и это заключение неверно, поскольку давно и надежно установлено, что из Арктического бассейна лёд постоянно выносится, а значит здесь его ежегодно намерзает больше, чем тает. Соответственно и разнонаправленные обмены теплотой фазовых переходов вряд ли могут быть равными. В работе показывается, что с выносом льда из Арктического бассейна якобы теряется значительное количество тепла. Но ведь энтальпия единицы массы льда меньше, чем энтальпия такой же массы воды, а, следовательно, вынос льда из бассейна приводит к увеличению его энтальпии (к приходу тепла), что правильно и принималось ранее в расчетах.

Таким образом, представление о теплообмене на главной замерзающей акватории Земли – Арктическом бассейне – оказалось основательно запутанным. И чтобы нам далее легче было понять некоторые вновь обнаруженные особенности фазовых превращений, полезно помнить об ошибках наших предшественников.

Ошибки в толковании хода фазовых превращений и их следствий встречаются очень часто, но причиной их нередко бывают не только огрехи предшественников, но и неверно самостоятельно понятое исследователем наблюдение.

Например, зная, что на испарение затрачивается теплота, именно этим многие объясняют почти всегда пониженную температуру смоченного термометра или ощущение прохлады смоченного живого тела. Но тут надо разобраться чья теплота расходуется при испарении. И здесь, казалось бы, самое простое объяснение оказывается неверным, если, вникнув в детали происходящего мы поймем, что смоченный термометр не испаряя своей жидкости, не может и отдавать свое тепло испарению. Но он не дополучает тепла от окружающего воздуха из-за того, что какая-то его доля, зависимая от сухости воздуха, перехватывается на испарение воды со смоченного батиста термометра (например, в психрометре). А отдать тепло или недополучить его – явления, хотя и имеющие одинаковый результат, по сути своей имеют разные причины. Не заметив различия между ними, легко скатиться к ошибочному мнению, что смоченный термометр сам охлаждается испарением, хотя это не так. То же самое и с ощущением прохлады мокрым телом: на испарение влаги с тела расходуется тепло, поступавшее к телу, а мы ощущаем это как некое охлаждение самого тела.

За неправильными объяснениями частного случая легко может последовать ошибочное объяснение более важного явления, что нередко и случается.