Физика вод суши by Винников С.Д., Викторова Н.В. (z-lib.org)

уменьшается примерно на 0,006 кДж/(кг • °С) на 1 % о . Для соленых

озер с другим составом солей таких исследований не имеется. Переход воды из жидкого состояния в твердое (кристалличе­

ское - лед) сопровождается выделением теплоты кристаллизации QK , а обратный ему процесс - таяние льда - поглощением тепло­

ты плавления Qm . Эта способность вещества определяется удель­ ной теплотой кристаллизации (плавления):

где т - масса затвердевающего (тающего) тела.

Удельная теплота кристаллизации воды Ькр - это количест­

во теплоты, которое выделяется при кристаллизации 1кг воды при постоянной температуре. Для дистиллированной воды она равна 3,33 •105Дж/кг. Отведение ее в окружающее пространство проис­ ходит через стенки сосуда, в котором заключена вода, а в природ­ ных водах через ее свободную поверхность и через образовавший­ ся поверхностный ледяной покров. Однако, по мере роста поверх­ ностного льда, природные воды все более и более приближаются к изолированной системе, так как отвод теплоты замерзания боль­ шой толщиной льда затрудняется, переохлаждение воды уменьша­ ется, и нарастание льда ледяного покрова снизу прекращается. Это явление можно вызвать и искусственным путем, если, например, покроем лед слоем снега, хвоей или другим теплоизолирующим материалом.

Удельная теплота кристаллизации соленой (морской) воды и равная ей удельная теплота плавления соленого льда зависят от их солености. По существу замерзание соленой воды надо рассматри­ вать как замерзание раствора, сопровождающееся выделением рас­ творенных веществ, содержащихсявнем.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения Qn. Источником ее обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, поэтому при испарении она охлаждается. Обратный испарению процесс - конденсация пара - сопровождается выделением теплоты QK, рав­ ной теплоте испарения. Различные вещества при испарении по­

31

глощают неодинаковое количество теплоты. Эта способность ве­ щества определяетсяудельной теплотой испарения (конденсации):

Итак, удельная теплота испарения воды - это количество теп­ лоты, необходимое, чтобы перевести 1 кг воды в парообразное со­ стояние при постоянной температуре. Удельная теплота испарения воды зависит от температуры, при которой испаряется вода. Эта зависимость определяется следующей эмпирической формулой:

где 25 •105Дж/кг - удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной О °С; tn - температура поверхности ис­ паряющейся воды.

Удельную теплоту кристаллизации, испарения и т.д. иногда называют теплотой фазового перехода между газообразной и жид­ кой или твердой фазами воды.

Температуропроводность - физический параметр вещества и, в частности, воды, характеризующий скорость выравнивания температуры в различных точках тела. Характеристикой температу­ ропроводности является коэффициент температуропроводности а = кЦср) , где X - коэффициент теплопроводности. По его значе­ нию судят о скорости распространения теплоты в рассматриваемом теле и применяется он при решении задач о теплопередаче с ис­ пользованием дифференциального уравнения теплопроводности. Коэффициент температуропроводности воды слабо зависит от тем­ пературы: при температуре, равной 0 и 10 °С, а соответственно ра­ вен 0,135 •10б и 0,140 •10б м2/с. Здесь также необходимо отметить, что коэффициент турбулентной температуропроводности аТ (как и коэффициент турбулентной теплопроводности Хт) существенно

превосходит по числовому значению соответствующее молекуляр­ ное значение коэффициента а; он определяется кинематическими характеристиками потока (зависит от интенсивности турбулентного перемешивания).

32

Отмеченные выше тепловые показатели воды аномальны по сравнению с аналогичными характеристиками других веществ. Это обстоятельство обязано ее структуре, обусловленной водород­ ными связями между молекулами, характеризующимися большей прочностью, чем межмолекулярные взаимодействия. Например, большая теплоемкость воды может быть объяснена только распа­ дом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением энергии, то при нагре­ вании воды теплота расходуется не только на повышение темпера­ туры, но и на распад ассоциированных молекул.

4. Вязкость. Вязкость является одним из главных свойств воды. Различают объемную и тангенциальную вязкость. Под объ­ емной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягивающие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, на­ пример, при распространении в ней звуковых и, особенно, ультра­ звуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способ­ ность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Некоторые авторы не различают двух видов вязкости и характери­ зуют ее как свойство жидкости оказывать сопротивление растяги­ вающим и сдвигающим усилиям.

Исследования показывают, что сопротивление жидкости растягивающим и сдвигающим усилиям проявляется лишь при различных скоростях движения одного слоя жидкости по другому, т. е. при возникновении угловых скоростей сдвига частиц. Со сто­ роны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медлен­ нее, действует ускоряющая сила и, наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая, задерживающая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, обусловлены взаимодействием молекул, расположенных по разные стороны границы между слоями и на­ правлены по касательной к поверхности слоев.

По закону Ньютона, силы внутреннего трения пропорцио­ нальны градиенту скорости по нормали и площади, на которую они действуют. Относя силу внутреннего трения к площади, рав­ ной единице, получаем касательное напряжение в жидкости. Оно определяется по формуле

33

on

где ц - динамический коэффициент вязкости (динамическая вяз­ кость). Он определяет собой силу трения, приходящуюся на еди­ ницу поверхности при градиенте скорости, равном единице. По­ этому иногда его называют коэффициентом внутреннего трения.

Динамический коэффициент вязкости воды в сильной сте­ пени зависит от температуры, но почти не зависит от давления. В табл. 2.4 приведены значения этого коэффициента для пресной воды, полученные опытным путем. При расчете динамического коэффициента вязкости применяют эмпирическую формулу Пуазейля:

Следует отметить, что во многие расчетные формулы входит отношение динамического коэффициента вязкости ц к плотности жидкости р, носящее название кинематического коэффициента вязкости (кинематическая вязкость):

Динамический коэффициент вязкости соленой воды незна­ чительно отличается от коэффициента вязкости пресной воды. На­ пример, при t = 20 °С и S = 25 %о он равен 1,052 •10~3Па ■с, адля

пресной воды - 1,003 •10“3Па •с, т. е. больше примерно на 5 %.

5. Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжени воды возникает на поверхности соприкасания ее с воздухом, твер­ дым телом или другой жидкостью. Оно обусловлено силами при­ тяжения между молекулами в этих телах. Внутри воды силы при­ тяжения между молекулами взаимно компенсируются, а на моле­ кулы, находящиеся вблизи поверхности, действует нескомпенси-

34

рованная результирующая сила, направленная внутрь от ее по­ верхности. Поверхностное натяжение стремится уменьшить по­ верхность жидкости до минимума. Поэтому капли жидкости име­ ют сферическую форму, а в невесомости (в отсутствии силы тяже­ сти) - форму шариков. Поверхность сферы является наименьшей из всех геометрических фйгур равного со сферой объема.

Сила поверхностного натяжения F действует на свободной по­ верхности капли жидкости. Направлена она по касательной к поверх­ ности и нормально к границе свободной поверхности; определяется по формуле

где / - длина контура поверхности жидкости; ст - коэффициент поверхностного натяжения (поверхностное натяжение), Н/м. Ко­ эффициент поверхностного натяжения зависит не только от при­ роды жидкости и ее температуры, но и от природы и состояния той среды, с которой соприкасается данная жидкость. Например, на границе вода - воздух в пределах от -5 до 35 °С он может быть вычислен по формуле

Процесс растекания капли воды, прекращается, когда крае­ вой угол а между касательной Т к поверхности жидкости в точке А и поверхностью твердого тела достигает некоторого предельного значения апр , характерного для пары вода— твердое тело (рис. 2.1).

Если апр угол острый (в пределах 0° - 90°), то вода смачивает по­

верхность твердого тела. Чем он меньше, тем лучше смачивание. При апр = 0° имеет место полное смачивание - растекание по по­

верхности до образования пленки. Если угол апр тупой (в преде­

лах 90° - 180°), то вода частично, а при апр = 180° - полностью не

смачивает поверхность твердого тела. Критерием смачивания на­ зывают отношение

3 5

где действующие силы поверхностного натяжения, приходящиеся на единицу длины контура ограничивающего поверхность: 1) стьз

-на границе твердое тело - воздух (растягивающая каплю);

2)^2-з - на границе вода - твердое тело (стягивающая каплю);

3)а,_2 - на границе вода - воздух (может как растягивать, так и стягивать каплю, что зависит от угла ос).

Рис. 2.1. Направление действия сил поверхностного натяжения:

а) хорош о смачиваемая поверхность твердого тела, б) плохо смачиваемая поверхность твердого тела

1 - воздух, 2 - вода, 3 - твердое тело.

Коэффициент поверхностного натяжения соленой воды от­ личается незначительно от коэффициента поверхностного натяже­ ния пресной воды. Растворение в воде поверхностно-активных веществ (спирты, жирные кислоты и их соли и др.) существенно понижает поверхностное натяжение воды.

6. Смачивание. При соприкосновении твердого тела с во дой смачивание наблюдается в том случае, когда взаимодействие между их молекулами сильнее взаимодействия между молекула­ ми самой воды. В этом случае вода будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. Когда же взаимодействие между молекулами твердого тела и мо­ лекулами соприкасающейся с ним воды более слабое, чем между молекулами самой воды, вода будет стремиться сократить по­ верхность соприкосновения с твердым телом. По отношению к твердым телам вода обладает свойством полного и частичного смачивания и полного несмачивания.

Явление смачивания имеет большое значение при изучении передвижения влаги по капиллярам в почвогрунтах и в снеге. По­ верхность смачивающей жидкости, находящейся в узких капилля-

36

где г - радиус кривизны мени­ ска (обычно принимается рав­ ным радиусу капилляра). По­ этому в капиллярах почвогрун­ тов вода поднимается на высоту h, при которой вес ее столба

уравновешивает отрицательное дополнительное давление, обу­ словленное кривизной мениска:

Таким образом, высота поднятия воды в капилляре тем больше, чем меньше его радиус.

В почвогрунтах часто наблюдаются случаи, когда капилляр­ ная влага при понижении уровня грунтовых вод отрывается и на­ ходится в подвешенном состоянии (подвешенная влага) (см. рис.2.2, правый капилляр). В этом случае формула (2.23) примет вид

(табл. 2.5) [42]. Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление. Так, у ладожской воды оно состав-

37

ляет 2,6 ■104 Ом •м, ау морской - порядка 0,3 Ом ■м (для сравне­

По приведенным значениям удельного электрического со­ противления можем судить, что чистая вода является плохим про­ водником электричества. Электрическая проводимость воды мо­ жет служить показателем загрязнения как части водоема, так и его в целом.

Вода является хорошим растворителем. Характеристикой жидкости как растворителя является дипольный момент. У воды он весьма высокий (6,13 •1029 Кп •м), что обусловливает ее свойства хорошего растворителя веществ, молекулы которых тоже полярны. Однако для сравнения способности одних веществ растворять в себе другие более удобным, чем дипольный момент, оказалось понятие

диэлектрической проницаемости. Дипольный момент р характери­ зует только отдельно взятые молекулы, а диэлектрическая прони­ цаемость - растворы разных веществ и концентраций и поэтому бо­ лееудобна в практическом отношении.

Если между пластинами конденсатора поместить дипольные молекулы, то они, ориентируясь в электрическом поле, понизят его напряженность. Диэлектрическая проницаемость е показывает, во сколько раз напряженность доля с данным веществом ниже, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость водыпри 20 °С £ = 81.

Способность воды растворять соли возрастает с повышени­ ем температуры и понижается с ее уменьшением. Этим обстоя^ тельством объясняется выпадение солей из воды сильно минера­ лизованных озер осенью и в зимний период.

Более подробные сведения об электрических свойства воды и электромагнитных явлениях, протекающих в водоемах суши, можно найти в монографиях В.В. Александрова [2] и Н.Ф. Бонда­ ренко и Е.З. Гак [6].

8. Тяжелая вода. В природных водах суши тяжелая во встречается в очень слабой концентрации, порядка 1 : 7000, и до­ бывается в промышленных установках. Большую роль тяжелая

3 8

вода играет в ядерной энергетике. В ее состав входит тяжелый изотоп водорода 2Н, называемый дейтерием, поэтому обозначают его через D, а химическая формула тяжелой воды имеет вид D2O.

Температура замерзания тяжелой воды 3,82 °С; температура кипения 101,42 °С. Наибольшая плотность тяжелой воды наблю­ дается при температуре' 11,6 °С. Плотность тяжелой воды при 20 °С. равна 1105,6 кг/м3, тогда как плотность обычной воды при этой же температуре равна 998,2 кг/м3, т. е. плотность тяжелой во­ ды при температуре 20 °С. больше плотности обычной воды на 10,1 %. Наибольшая плотность тяжелой воды превышает наи­ большую плотность дистиллированной воды на 11 % и составляет около 1110 кг/м3.

: Теплота испарения тяжелой воды значительно больше теп­ лоты испарения обыкновенной воды и превышает ее примерно на 11 •Ю5Дж/кг. На этом свойстве основан один из способов про­ мышленного получения тяжелой воды: при электролизе природ­ ной воды остаток еевсе более и более обогащается тяжелой водой.

Вязкость тяжелой воды ц' больше вязкости обыкновенной во­ ды (о.. Отношение ц'/ц в пределах 5 - 35 °С уменьшается от 1,3 до

1,2. Поверхностное натяжение у тяжелой воды меньше, чем у обыкновенной воды и равно 67,8 •10-3 против 72,8 ■10 3 Н/м при одинаковых условиях - нормальном давлении и 20 °С.

Так как температура замерзания тяжелой и обыкновенной воды неодинакова, то смесь их замерзает при различной темпера­ туре, зависящей от процентного содержания этих вод в смеси.

Г .

2.2. Аномальные свойства воды

Вода обладает рядом специфических свойств по сравнению с другими жидкостями. Эти свойства, известные под названием аномалии боды, определяются строением ее молекул и характером молекулярного взаимодействия.

Приведем некоторые из этих аномальных свойств.

1. Плотность дистиллированной воды при увеличении темпе­ ратуры от 0 до 100 °С Имеет максимум (при температуре 4 °С), в то время как у других жидкостей она постоянно уменьшается. В соот­

39

ветствии с плотностью при температуре от 0 до 4 °С объем воды уменьшается, азатем, при повышении температуры, увеличивается.

2.При замерзании вода расширяется, а не сжимается, как все другие жидкости. Плотность льда при О °С примерно на 10 % меньше плотности воды при этой температуре.

3.Температура замерзания воды с увеличением давления по­ нижается, ане повышается, как это следовало бы ожидать. Этой ано­ малией можно объяснить существование жидкой воды на больших глубинах вморях при температуре, значительно ниже 0 °С.

4.Температура замерзания (0 °С) и кипения (100 °С) дистил­ лированной воды аномальна по сравнению с температурой гидри­ дов, входящих в одну с кислородом группу Периодической систе­

мы Д.И. Менделеева: серы - H2S, селена - H2Se, теллура - Н2Те. В соответствии с температурой замерзания и кипения этих гидри­ дов следовало бы ожидать замерзание воды при - 90 °С, а кипение при - 70°С.

5.Вода способна к значительному переохлаждению, т. е. мо­ жет оставаться в жидком состоянии при температуре значительно ниже температуры плавления льда.

6.Удельная теплоемкость воды в 5 - 10 раз больше удель­ ной теплоемкости других природных веществ. Лишь у немногих веществ (литий, древесина) она несколько приближается к удель­ ной теплоемкости воды. Благодаря высокой теплоемкости вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете.

7.Удельная теплоемкость воды уменьшается при повыше­ нии температуры, тогда как у других веществ (кроме ртути) она увеличивается. При этом уменьшение удельной теплоемкости во­ ды происходит при температуре от 0 до 37 °С, а затем она увели­ чивается (у ртути она непрерывно уменьшается).

8.Удельная теплота плавления льда необыкновенно высокая

ив среднем равна 333 •103Дж/кг. Вода и лед при 0 °С различают­ ся между собой по содержанию скрытой энергии на 333 •103Дж. С понижением температуры удельная теплота плавления льда не увеличивается, ауменьшается примерно на 2,1 Дж на 1 °С,

9.Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не уве­ личивается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями.

40