Пресную воду из морской можно получить двумя способами: выпариванием и вымораживанием. Какой из этих способов с точки зрения физики эффективнее и почему?

Пресная вода из морской отделяется от соли и других примесей благодаря физическим процессам, связанным с изменением агрегатного состояния воды. Чтобы понять, какой из двух способов — выпаривание или вымораживание — является более эффективным с точки зрения физики, важно рассмотреть механизмы, протекающие в этих процессах, и их энергетические затраты.

1. Выпаривание:

   • Выпаривание основано на превращении воды из жидкого состояния в газообразное (водяной пар). Для этого необходимо нагреть воду до температуры кипения (100 °C при нормальном атмосферном давлении) и затратить энергию на преодоление межмолекулярных связей.
   • Во время нагревания воды энергия затрачивается на два этапа:
   • Нагревание воды до температуры кипения. Количество тепла, необходимое для этого, находится по формуле: $$ Q_1 = mc\Delta t, $$ где $m$ — масса воды, $c$ — удельная теплоёмкость воды ($c \approx 4200 \, \text{Дж/(кг·°C)}$), $\Delta t$ — изменение температуры до точки кипения.
   • Испарение воды. Для преобразования воды из жидкости в пар необходимо затратить энергию, равную массовому количеству воды, умноженному на удельную теплоту парообразования: $$ Q_2 = mL, $$ где $L$ — удельная теплота парообразования воды ($L \approx 2,26 \times 10^6 \, \text{Дж/кг}$).
   • Совокупное количество тепла, необходимое для выпаривания воды, — это сумма $Q_1 + Q_2$.
   • Выпаривание требует значительных энергозатрат, особенно из−за большого значения удельной теплоты парообразования, что делает этот процесс энергоёмким.

2. Вымораживание:

   • Вымораживание основано на замораживании воды, при котором она переходит из жидкого состояния в твёрдое — лёд. Соли и другие примеси остаются преимущественно в жидкой фазе, так как они снижают температуру замерзания воды и не входят в структуру кристаллической решётки льда.
   • Во время замораживания воды энергия затрачивается на два этапа:
   • Охлаждение воды до температуры замерзания. Количество тепла, которое вода теряет при охлаждении, можно рассчитать по формуле: $$ Q_3 = mc\Delta t, $$ где $m$ — масса воды, $c$ — удельная теплоёмкость воды, $\Delta t$ — разница температур.
   • Кристаллизация воды. Для превращения воды в лёд энергия выделяется (или забирается из системы), причём эта энергия равна: $$ Q_4 = m\lambda, $$ где $\lambda$ — удельная теплота плавления льда ($\lambda \approx 3,34 \times 10^5 \, \text{Дж/кг}$).
   • Совокупное количество энергии, необходимое для замораживания воды, включает только $Q_3 + Q_4$, причём $\lambda$ значительно меньше удельной теплоты парообразования $L$.

3. Сравнение процессов с точки зрения физики:

   • Энергозатраты. Для выпаривания воды требуется значительно больше энергии, чем для её замораживания, из−за большой разницы между теплотой парообразования $L$ и теплотой плавления $\lambda$. Таким образом, с точки зрения энергозатрат вымораживание более эффективно.
   • Скорость процессов. Выпаривание воды может происходить быстрее, если используется интенсивный нагрев. Замораживание, напротив, требует постепенного охлаждения, что может занимать больше времени.
   • Остаточные примеси. В процессе выпаривания соли и примеси остаются в исходной ёмкости, тогда как при замораживании возможно частичное включение примесей в кристаллы льда, что требует дополнительного этапа очистки (например, повторного вымораживания).

Таким образом, вымораживание с точки зрения физики является более энергоэффективным способом получения пресной воды из морской. Однако выбор метода на практике также зависит от доступных ресурсов (тепловая энергия или низкие температуры), времени и требуемой степени очистки воды.