ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ, ВОДЯНОГО ПАРА, ЛЬДА И СНЕГА
Физические свойства воды
1. Плотность воды. В физике плотность неоднородной сплошной среды — предел отношения массы вещества этой среды m к объему V, в котором она заключена:
(2.1)
Плотность однородной сплошной среды определяется массой вещества этой среды в единице объема:
ρ = m/V. (2.2)
Плотность воды, как и всякого другого вещества, является функцией температуры и давления, т. е.
ρ = f(t, P) (2.3)
Обычно функция (2.3) определяется экспериментально и выражается в виде таблицы или формулы.
Плотность воды изменяется с температурой сравнительно незначительно. Поэтому в большинстве случаев в практических расчетах ее значение может быть принято постоянным: ρ = 1000 кг/м3. Более точное значение плотности учитывается тогда, когда изучаемый процесс зависит от разности плотностей Dr, например свободная конвекция, первопричина которой – разность плотностей по глубине воды.
Плотность соленой воды превышает плотность дистиллированной воды и зависит от состава растворенных солей и общей солености S. Общая соленость морской воды не превосходит 40‰, тогда как в соленых озерах она достигает 250 — 300‰.
Сжимаемостью жидкости (воды) называется свойство уменьшения объема под влиянием повышения внешнего давления. Величиной, обратной сжимаемости, является объемная упругость.
Сжимаемость характеризуется коэффициентом сжимаемости β, который равен отношению относительного изменения объема жидкости V к изменению давления P и определяется по формуле
(2.4)
Знак минус показывает, что увеличению давления соответствует уменьшение объема.
Приняв значение модуля объемной упругости для воды близким к его среднему значению и равным 2·109 Па, получим коэффициент сжимаемости β ≈ 5·10-10 1/Па.
Определим теперь уменьшение объема 1м3 воды, перенесенного на глубину 1000м (ΔP ≈ 107 Па) с поверхности. Из формулы (2.4) имеем
dV = βV0dP или ΔV = βV0 ΔP, (2.6)
где V0 — единичный (удельный) объем воды на поверхности.
Подставив соответствующие значения в уравнения (2.6), получим ΔV = 5·10-10· ·1·107 = 5·10-3 м3 (или 0,5%). Эти расчеты показывают, что вода очень мало сжимаема.
Коэффициент β уменьшается при повышении температуры, солености и первоначального давления, под которым находилась вода до сжатия.
Вода, как и всякое вещество в природе, расширяется при повышении температуры и сжимается при ее понижении. Это расширение (сжатие) характеризуется коэффициентом объемного расширения, который равен отношению относительного изменения объема жидкости V к изменению температуры t и определяется по формуле
(2.7)
откуда
V2 = V1 (1 + βt Δt), (2.8)
где ΔV = V2 - V1 — изменение объема жидкости; V1 и V2 — объемы жидкости соответственно при температуре t1и t2; Δt = t2 - t1.
Так как плотность воды максимальна при температуре t = 4°С (точнее 3,98°С), то при этой температуре βt = 0, а при температуре t < 4°С βt< 0, т.е. при нагревании объем не увеличивается, а, напротив, уменьшается, что является одной из физических аномалий воды. Таким образом, в связи с плотностной аномалией воды коэффициент ее объемного расширения имеет отрицательные значения при температуре от 0 до 4°С и положительные при температуре выше 4°С, причем с повышением температуры коэффициент βt увеличивается.
По сравнению с другими жидкостями коэффициент объемного расширения воды сильно зависит от температуры.
2. Характерные значения температуры воды.Температура наибольшей плотности дистиллированной воды при нормальном давлении 1,01·105 Па обычно принимается равной 4°С, хотя точное ее значение 3,98°С. Особый интерес имеет зависимость этой температуры от давления. Обычно ее принимают линейной и записывают в следующем виде:
(2.9)
где — температура наибольшей плотности пресной воды при давлении Р; — температура наибольшей плотности пресной воды при давлении 1,01·105 Па; а—коэффициент пропорциональности.
Нужно также иметь в виду, что дистиллированной воды в природе нет, а вода так называемых пресных озер и рек всегда немного минерализована. Например, концентрация солей воды оз.Байкал составляет 0,0697кг/м3. Поэтому для природных озер и искусственных водохранилищ температура наибольшей плотности воды всегда немного меньше 4°С.
Значение коэффициента a для дистиллированной воды, по лабораторным данным, равно 0,0079°С/Па.
Для температуры наибольшей плотности морской воды в зависимости от солености, может быть рекомендована формула Кнудсена — Крюммеля:
(2.10)
где S — соленость морской воды, ‰.
Температура кристаллизации (замерзания) дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении принимается равной 0°С и служит начальным значением температурной шкалы термометра Цельсия.
Процесс замерзания пресной и соленой воды происходит скачком с выделением теплоты кристаллизации. Обратный процесс, т. е. таяние льда, происходит с поглощением того же количества теплоты, но без скачка, постепенно.
Температура замерзания морской воды при нормальном давлении может быть определена, например, по эмпирической формуле Крюммеля:
Формулой (2.11) можно пользоваться также для приближенного определения температуры замерзания минерализованных вод суши при малой их солености.
Переохлаждение воды в природе, т. е. понижение ее температуры замерзания по отношению к 0°С, наблюдается очень часто. В речных условиях переохлаждение поверхностного слоя воды составляет даже порядка — 1°С.
Переохлажденная на поверхности реки вода переносится в глубину турбулентным течением и в благоприятных условиях образует внутриводный (шуга) и донный лед. При этом степень переохлаждения глубинных вод значительно меньше, чем поверхностных. Переохлаждение наблюдается также в озерах и морях, где оно впервые и было обнаружено еще в XVIII в. в виде так называемого якорного льда на опущенных на дно якорях.
В лабораторных условиях в капиллярных трубках дистиллированную воду удалось переохладить до температуры — 33°С.
3. Тепловые характеристики воды.Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании его на 1 °С. Определяется она по формуле
C = dQ/dt или C = Q/Δt, (2.12)
где dQ — бесконечно малое количество теплоты, вызвавшее бесконечно малое повышение температуры dt; Δt = t2 - t1 — изменение температуры тела, происходящее в результате подвода к нему количества теплоты Q; t1 и t2 — температура тела до и после подвода к нему теплоты.
Характеристикой теплоемкости вещества принята удельная теплоемкость — отношение теплоемкости тела к его массе:
c = C/m или c = Q/(m Δt). (2.13)
Удельная теплоемкость воды — это количество теплоты, необходимое для нагревания 1кг дистиллированной воды на 1°С в пределах 14,5 — 15,5°С. Удельная теплоемкость воды слабо зависит от температуры, поэтому в практических расчетах ее значение может быть принято постоянным, равным 4,2 кДж/(кг·°С).
Удельная теплоемкость воды уменьшается с повышением температуры. Этим свойством, а также довольно большим значением удельной теплоемкости, вода отличается от всех других веществ, кроме ртути.
С увеличением минерализации воды теплоемкость ее уменьшается. Для морской воды при малой солености теплоемкость уменьшается примерно на 0,006кДж/(кг·°С) на 1‰.