Tepelná kapacita, výparné teplo a hustota vody

Představme si, že je dnes parný den. Po chvilce na slunci jsme tak rozpálení, že se potřebujeme zchladit a tak si nachystáme sklenku vody s ledem. Možná si všimneme kapky potu stékající po naší ruce a taky kousků ledů plovoucí na hladině vody ve skleničce. Jelikož už máme za sebou lekce o vodíkových vazbách ve vodě, nejspíš už je jasné, o co tady jde.

Jak to tedy je? Molekuly vody neustále vytváří síť vodíkových vazeb, slabých vazebných interakcí mezi částečně kladnými a částečně zápornými částmi molekul. I účinné ochlazování pomocí odpařování je důsledkem vodíkových vazeb i nízkou hustotu ledu a tedey toho, proč kusy ledu na vodě plovou.

Probereme si tu teď podrobněji, jak to je s vodíkovými můstky při změnách teploty, tání, tuhnutí, vypařování a kondenzaci vody.

Voda se svým fyzikálně-chemickým chováním ve všech třech skupenstvích – pevném, kapalném a plynném – odlišuje od molekul o podobné molární hmotnosti. Je tomu tak díky schopnosti molekul vzájemně se propojovat vodíkovými můstky. Vzhledem k tomu, že vše živé od lidských bytostí až po bakterie obsahuje velké množství vody, pochopení jedinečných fyzikálně-chemických vlastností vody v jejích třech skupenstvích je klíčem také k pochopení biologie.

V kapalné vodě neustále vznikají a zanikají vodíkové vazby. Vznikají, když se molekuly vody přiblíží k sobě. Zanikají, například důsledkem zvýšení kinetické energie molekul vody, což nastává tím častěji, čím více je tepla v systému.

Když je teplo dodáváno (například při vaření vody), vyšší kinetická energie molekul vody vede k rozpadu vodíkových vazeb a umožňuje molekulám vody přejít do plynného skupenství. Hovoříme o vodní páře nebo někdy říkáme prostě pára.

Naopak, když teplota klesá, teplo je ze systému odebíráno, molekuly vody tvoří větší a větší shluky molekul (klastry) propojené mezi sebou vodíkovými můstky. V určité chvíli voda zamrzne – molekuly vody utvoří krystalovou strukturu založenou právě na vodíkových můstkách (protože je zde příliš málo energie pro přerušení vodíkových vazeb).

Pravidelné zesíťování do krystalu vede k větším průměrným rozestupům mezi molekulami, než je tomu při teplotách těsně nad nulou (při normálním tlaku) a proto je pozorujeme, že má led ve sklenici meší teplotu než kapalná voda a plove na hladině.

Během zamrznutí konkrétního množství vody tedy dochází k nárůstu jejího objemu (a poklesu hustoty). Když do mrazáku vložíme skleněnou nádobu plnou vody nebo nápoje, který má vysoký obsah vody a pevně ji uzavřeme, nádoba vlivem tohoto jevu při zmrznutí praskne.

Tohle ale o drtivé většině ostatních látek neplatí. U ostatních látek dochází při dostatečném snížení teploty a kinetické (pohybové) energie molekul také k tuhnutí, ale současně s tím jsou částice (obvykle molekuly) uspořádány těsněji k sobě než v kapalném skupenství. To způsobuje, že má pevné skupenství těchto látekvětší hustotu než kapalina. Voda je v mnoha ohledech zvláštní – má anomálie (zvláštnosti) a jednou z těchto anomálií je, že má v pevném skupenství při teplotách pod nulou nižší hustotu, než při teplotách nad nulou.

Vzhledem k tomu, že má menší hustotu, ledová kra plove na hladině kapalné vody, jak to můžeme pozorovat u ledovce nebo u ledových kostek ve sklenici ledového čaje. Důležité je i to, že v jezerech a rybnících se vytváří vrstva ledu nad kapalnou vodou,. Vzniká tak izolační vrstva, která významně brání dalšímu promrzání do hloubky a spolu s další anomálií vody chrání živé organismy v rybníku před zmrznutím. Touto další anomálií je, že při ochlazování vody dochází k poklesu hustoty již od +4 °C, nejvyšší hustota kapalné vody je tedy právě při této teplotě. Voda o teplotě +4 °C klesá ke dnu a vytváří stabilní prostředí pro přezimování vodních organismů. Je tomu tak proto, že výše popsané zesíťování molekul vody se postupně zvyšuje. (Můžeme si molekuly vody při ochlazování od +4 do -4 °C představit jako cvičence, kteří se na začátku hodiny aerobiku postupně staví na značky a skupina tak zabírá více a více místa.)

Jak mráz poškozuje živé organismy? Vzpomeňme si, co se stane s lahví plnou limonády, kterou dáme do mrazáku. V živém organismu nastane stejná situace: Během zamrznutí vody v buňkách se objem této vody zvětší a buněčná membrána (stejně jako sklo lahve s limonádou) se roztrhne.

Zvyšování teploty kapalné vody vyžaduje dodání velkého množství tepla, protože část tepla se musí použít k rozbití vodíkových vazeb mezi molekulami. Jinými slovy, voda má vysokou měrnou tepelnou kapacitu, která je definována jako množství tepla potřebného ke zvýšení teploty jednoho gramu látky o jeden stupeň Celsia. V případě vody se jedná o 4,2 joulu. U nás méně obvyklá jednotka energie – kalorie je přímo definována jako množství tepla potřebného ke zvýšení teploty 1 g vody o 1 °C. Kromě toho máme ještě molární tepelnou kapacitu, která nám říká, kolik tepla je potřeba dodat pro ohřev 1 molu látky o 1 °C.

Vzhledem ke své vysoké tepelné kapacitě nemění voda ve srovnání s jinými látkami svou teplotu vůbec snadno. Měrná tepelná kapacita vody je například asi pětkrát vyšší než kapacita písku. Pláž se proto ochlazuje rychleji než moře, jakmile slunce zajde. Pomalu se ochlazující voda pak může během noci uvolňovat teplo do okolí. Také živočichové používají vodu k dopravě tepla po těle: funguje to podobně jako chladicí systém automobilu – přesouváním tepla z teplejších míst do chladnější pomáhá tělu udržet vhodnou teplotu.

Stejně jako pro zvyšování teploty kapalné vody je potřeba hodně tepla, pro odpařování určitého množství vody, protože vodíkové vazby musí být přerušeny, aby mohly molekuly přejít do plynného skupenství. Proto říkáme, že voda má vysoké výparné teplo, neboli množství energie potřebné k přeměně jednoho gramu kapalné látky na plyn při konstantní teplotě.

Výparné teplo vody je při teplotě 100 °C (bodu varu vody) přibližně 540 J/g. Je dobré si přitom uvědomit, že některé molekuly vody – které mají náhodně dostatečně vysokou kinetickou energii i při nižších teplotách a mohoau tak přejít do plynného skupenství – na tom je postaveno vypařování vody při nižších teplotách, než je teplota varu.

Jak se tyto molekuly vody, které mají shodou okolností nejvyšší energii, odpařují, ochlazují tím povrch kapaliny. Tento proces se nazývá ochlazování odpařováním. Důvodem toho je, že molekuly s nejvyšší kinetickou energií při odpařování opouštějí kapalinu (pro více informací zkoukni video o ochlazování pomocí odpařování). U lidí i jiných organismů slouží odpařování ve formě potu, (který obsahuje 99 % vody) k ochlazování, čímž je udržována stálá teplota těla.