Физические свойства воды

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.

Величину, обратную коэффициенту сжимаемости, называют модулем объемной упругости (модулем объемного сжатия):

k = 1/β. (2.5)

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 = βV₀ dP 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 + β_t Δt), (2.8)

где ΔV = V₂ - V₁ — изменение объема жидкости; V₁ и V₂ — объемы жидкости соответственно при температуре t₁и t₂; Δt = t₂ - t_1.

Так как плотность воды максимальна при температуре t = 4°С (точнее 3,98°С), то при этой температуре β_t = 0, а при температуре t < 4°С β_t < 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 β_t 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:

t_з = - (3·10^-3 + 527·10^-4S + 4·10^-5S ² + 40·10^-6S ³). (2.11)

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‰.

Таблица 2.1