Výpočet stavu vody při zadané teplotě a tlaku
Nejčastější otázka, kterou si lidé kladou, když se baví o vodě, je: kolik stupňů může dosáhnout voda? Vypadá to jednoduše - voda vaří při 100 stupních, zmrzne při 0. Ale skutečnost je o mnoho složitější. Ať už jde o vaření ve vaší kuchyni, laboratorní experiment nebo extrémní podmínky na Zemi, voda se chová úplně jinak, než si většina lidí myslí.
Co se stane, když voda dosáhne 100 °C?
V běžných podmínkách na úrovni moře, voda začíná vařit při 100 stupních Celsia. To je pravda. Ale jen pokud je tlak atmosféry 1013,25 hPa - což je tzv. normální atmosférický tlak. Pokud jste na horách, jako například na Jizerských horách, kde je vzduch řidší, voda začne vařit už při 95 °C. A naopak - v tlakové hrnčí, kde je tlak vyšší, může voda dosáhnout 120 °C, aniž by se přeměnila na páru. Tlak tedy určuje, kdy voda „překročí hranici“ a začne měnit skupenství.
Nejde tedy jen o teplotu. Jde o rovnováhu mezi teplotou a tlakem. To je důvod, proč se v kuchyni používají tlakové hrnce - aby se voda zahřála výš než 100 °C a jídlo se vařilo rychleji. Vědci to vědí už od 17. století, kdy francouzský fyzik Denis Papin vymyslel první tlakový hrnec.
Teplota vody může být i výš než 100 °C - a nepřemění se na páru
Možná jste slyšeli, že voda nemůže být teplejší než 100 °C. To je nesprávné. Voda může být i 120, 150 nebo dokonce 374 °C - ale jen za určitých podmínek. Když je voda v uzavřeném systému, kde nemá kam „uteč“ jako pára, může zůstat v kapalné formě i při teplotách mnohem vyšších než její „bod varu“.
Na toto se říká superkritická voda. Tento stav nastává při teplotě nad 374 °C a tlaku nad 218 atmosférami. V takovém prostředí voda přestává být buď kapalina, nebo plyn - je něčím mezi. Vědci ji používají k čištění toxických odpadů, protože superkritická voda rozpouští i látky, které normální voda nezvládne. V laboratořích na Univerzitě Karlově v Praze se tato voda používá k dekompozici organických sloučenin bez použití chemikálií.
A co je na druhé straně? Může voda být chladnější než 0 °C?
Ano. A to bez toho, aby zmrzla. Tento jev se jmenuje podchlazená voda. Pokud je voda úplně čistá a neobsahuje žádné částice, na kterých by se mohly vytvořit krystaly ledu, může zůstat kapalná i při teplotách pod 0 °C. V laboratořích se voda podchladí až na -40 °C. V přírodě se to děje ve vysokých oblacích - kde kapky vody zůstávají kapalné i při -30 °C, dokud nenarazí na prachovou částici a náhle nezmrznou.
Je to zvláštní: když do sklenice s podchlazenou vodou vhodíte kousek ledu, voda okamžitě zmrzne - jako by to byla reakce na „výzvu“. Tento jev se dá snadno ukázat i doma: koupíte lahvičku s čistou vodou, nechte ji v mrazáku na několik hodin, a když ji vytáhnete, nechte ji klidně stát - až do chvíle, kdy do ní vhodíte kousek ledu. Voda se okamžitě změní v led.
Co se stane, když voda překročí 374 °C?
Teplota 374 °C není náhodná. Je to tzv. kritický bod vody - hranice, za kterou už neexistuje rozdíl mezi kapalinou a plynem. Nad touto teplotou a tlakem se voda stává superkritickou tekutinou. V tomto stavu je voda neuvěřitelně agresivní. Rozpouští tuky, organické látky, kovy - všechno. Je to jako kdyby byla voda, plyn a rozpouštědlo najednou.
Už se používá v průmyslu. Například výrobci léků ji používají k extrakci účinných látek z bylin. Výzkumníci z Institutu mikrobiologie v Brně ji využívají k odstraňování biofilmů z lékařských přístrojů - bez použití chemikálií. Voda tady není jen nosičem - je aktivním účastníkem chemické reakce.
Proč je to důležité pro bateriologie?
Když mluvíme o bakteriologii, voda není jen prostředím. Je to klíčový faktor, který určuje, co se v ní může dít. Bakterie se množí nejlépe v teplotě mezi 20 a 45 °C. Většina patogenních bakterií - jako Salmonella nebo E. coli - zemře, když je voda zahřátá na 60 °C a déle než 10 minut. Ale některé bakterie, jako Thermus thermophilus, žijí v horkých pramenech a mohou přežít i při 80 °C.
Co se stane, když voda dosáhne 100 °C? Většina bakterií zemře okamžitě. Ale některé spory, jako například spory Bacillus stearothermophilus, přežijí i při 120 °C. Proto se sterilizace v laboratořích provádí v autoklávech - za tlaku 2 atmosféry a teplotě 121 °C - aby se zlikvidovaly i ty nejodolnější formy.
Naopak - podchlazená voda je ideální prostředí pro některé psychrofilní bakterie. Ty žijí v Antarktidě, v ledovcích nebo v hlubokých oceánech. Některé z nich se mohou množit i při -15 °C. Voda tady není jen vodou - je jejich domovem, který je neustále na hranici mrtvoly a života.
Co se stane s vodou v kosmu?
V nulové gravitaci, jako například na Mezinárodní vesmírné stanici, voda nevaří tak, jak známe. Když se zahřeje, vytváří se kolem ní velký bublinový „koule“, která se nezvedá nahoru, ale zůstává v místě. Tlak a teplota zde fungují jinak. Voda v kosmu může být zahřátá na 150 °C, ale nevaří - protože neexistuje „horečný“ pohyb částic, který by ji přeměnil na páru.
To má důsledky pro astronauty. Vědci musí přemýšlet, jak sterilizovat vodu, jak vařit jídlo, jak zpracovávat odpady - všechno bez běžného fyzikálního chování vody. To je důvod, proč se na ISS používají speciální filtry a UV záření místo vaření.
Největší teplota, kterou voda dosáhla na Zemi
Nejvyšší teplota vody, která byla kdy naměřena na Zemi, je 407 °C - v horkých pramenech na dně Pacifiku, v oblasti tzv. „černých dýmek“. Tam, kde tekoucí magma ohřívá vodu pod mořským dnem, se voda zahřívá, zatlačuje se do hloubky a zůstává kapalná díky obrovskému tlaku - téměř 300 atmosfér.
Na těchto místech žijí organismy, které neznají slunce. Používají chemickou energii z vody - a voda tady není jen nosičem života. Je zdrojem energie.
Co se stane, když voda přesáhne 400 °C?
Už nezůstává voda. Při teplotách nad 400 °C se molekuly H₂O začínají rozpadat - vodík a kyslík se oddělují. Tento proces se nazývá termická disociace. Voda přestává být vodou. Je to jako když z kávy odpaří všechna voda a zůstane jen prášek - ale místo prášku zůstanou dva plyny.
Takže odpověď na otázku „kolik stupňů může dosáhnout voda?“ není jedna. Je to rozsah: od -40 °C podchlazené kapaliny až po 407 °C v horkých pramenech. A poté - přestává být vodou.