Мировой океан - теплообменник планеты. Физические свойства воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Департамент научно-технологической политики и образования

Федеральное государственное бюджетное учреждение

Волгоградский государственный аграрный университет

Кафедра: «С/х водоснабжение и гидравлика»

Контрольная работа

По дисциплине: «Гидрофизика»

Выполнил: студентка з/о Ометова Е.А.

Группа ЭМФ-44 шифр-09/033

Проверил: Беломутенко Д.В.

Волгоград 2012



Содержание

1. Мировой океан - теплообменник планеты

2. Испарение

3. Заторы и зажоры льда

4. Физические свойства воды

Список используемой литературы



1. Мировой океан - теплообменник планеты

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его получением, истощение топливных ресурсов - все эти видимые признаки энергетического кризиса вызывали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического - 93 млн. кв. км, Индийского - 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Энергия океана давно привлекает к себе внимание человека. В середине 80-х годов уже действовали первые промышленные установки, а также велись разработки по следующим основным направлениям: использование энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и т.д.

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал - 3 млрд. кВт.

Растет интерес специалистов к приливным колебаниям уровня океана у побережий материков. Энергию приливов на протяжении веков человек использовал для приведения в действие мельниц и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и СССР.

Приливная энергия постоянна. Благодаря этому, количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой она протекает, но и с погодными условиями.

Тем не менее ученые считают, что технически возможно и экономически выгодно использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана - по некоторым оценкам только 2%. При определении технических возможностей большую роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, глубина воды, морские течения и ветер. Опыт показывает, что для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Но подобных мест на всём земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.

При оценке экономических выгод строительства ПЭС также нужно учитывать, что наибольшие амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного пояса. Многие из этих побережий расположены в необжитых местах, на большом удалении от главных районов расселения и экономической активности, следовательно, и потребления электроэнергии. Нужно учитывать также и то, что рентабельность ПЭС резко возрастает по мере увеличения их мощности до 3-5 и тем более 10-15 млн. кВт. Но сооружение таких станций-гигантов, к тому же в отдаленных районах, требует особенно больших затрат, не говоря уже и о сложнейших технических проблемах.

Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится залив Фанди, представляющий собой внутреннюю суженную часть более открытого залива Мен. Длина его 300 км при ширине 90 км, глубина у входа более 200 м. Этот залив знаменит самыми высокими в мире приливами, достигающими 18 м. Очень высоки приливы и у берегов Канадского арктического архипелага. Например, у побережья Баффиновой земли они поднимаются на 15,6 м. В северо-восточной части Атлантики примерно такие же приливы наблюдаются в проливе Ла-Манш у берегов Франции, в Бристольском заливе и Ирландском море у берегов Англии и Ирландии.

Велики также запасы приливной энергии в Тихом океане. В его северо-западной части особенно выделяется Охотское море, где в Тугурском и Пенжинском заливах высота приливной волны составляет 9-13 м. Значительные приливы наблюдаются и у побережий Китая и Корейского полуострова. На восточном побережье Тихого океана благоприятные условия для использования приливной энергии имеются у берегов Канады, Чилийского архипелага на юге Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.

В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются Белое море, в Мезенской губе которого приливы имеют высоту до 10 м, и Баренцево море у берегов Кольского полуострова (до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии значительно меньше. В качестве перспективных для строительства ПЭС здесь обычно называются залив Кач Аравийского моря (Индия) и северо-западное побережье Австралии.

Несмотря на такие, казалось бы весьма благоприятные, природные предпосылки, строительство ПЭС пока имеет довольно ограниченные масштабы. По существу реально можно говорить лишь о более или менее крупной промышленной ПЭС «Ранс» во Франции, об опытной Кислогубской ПЭС на Кольском полуострове(Россия) и канадско-американской ПЭС в заливе Фанди.

При сооружении ПЭС необходимо всесторонне оценивать их экологическое воздействие на окружающую среду. Оно довольно велико. В районах сооружения крупных ПЭС существенно изменяется высота приливов, нарушается водный баланс в акватории станции, что может серьёзно сказаться на рыбном хозяйстве, разведении устриц, мидий и пр.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии - около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании - даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и Японии. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому центральному электроэнергетическому управлению.

Впервые идею использования энергии разности температур поверхностных и глубинных слоев воды Мирового океана предложил французский ученый д'Арсонвиль в 1881 году, но первые разработки начались лишь в 1973 году. Энергию разности температур различных слоев Мирового океана оценивают в 20-40 трлн. кВт. Из них практически могут быть использованы лишь 4 трлн. кВт.

Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32° С) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем поступает в следующий теплообменник для охлаждения и конденсации водой с температурой 5-6 °С, поступающей с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения из морской воды). Достоинство подобных установок - возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных слоев океанической воды - более стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций - их географическая привязанность к тропическим широтам. Для практического использования температурного градиента наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28° С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5° С.

В океане, который составляет 72% поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии - энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, солей и других минералов; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; энергия температурного градиента и др., и их можно преобразовывать в стандартные виды топлива. Такие количества энергии, многообразие её форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка.

Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не затрагивает окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух, образуя ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в тоже время меняют свое направление под воздействие вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системой Земля-Луна и вызывают приливы и отливы. Океан - это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии.

2. Испарение

Испарение, переход вещества из жидкого или твёрдого агрегатного состояния в газообразное - пар. Обычно под испарением понимают переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости.

Испарением твёрдых тел называется возгонкой или сублимацией. Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры, т. е. интенсивности теплового движения молекул, скорость испарения увеличивается.

В замкнутом пространстве (закрытом сосуде) испарение происходит при заданной постоянной температуре до тех пор, пока пространство над оставшимся избытком жидкости (или твёрдого тела) не будет заполнено насыщенным паром. Давление насыщенного пара зависит только от температуры и повышается с ее возрастанием. Кривая, изображающая давление насыщенного пара в зависимости от температуры, называется равновесной кривой испарения. Если давление насыщенного пара, заполняющего микрополости в жидкости, становится равным или несколько большим давления в газовой фазе над поверхностью жидкости, то испарение переходит в кипение. Наиболее высокой температурой кипения является критическая температура данного вещества. Критическая температура и давление определяют критическую точку - конечную точку на равновесной кривой испарения. Выше этой точки сосуществование в равновесии двух фаз - жидкости и пара - невозможно.

При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил (работа выхода), а также против внешнего давления уже образовавшегося пара совершается за счёт кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Поэтому, чтобы процесс испарения был изотермическим, т. е. протекал при постоянной температуре, необходимо сообщать каждой единице массы вещества определённое количество теплоты l (дж/кг или дж/моль), называемое теплотой испарения. Теплота испарения уменьшается с ростом температуры, особенно быстро вблизи критической точки, обращаясь в этой точке в нуль. Теплота испарения связана с производной давления насыщенного пара по температуре Клапейрона - Клаузиуса уравнением, на основе которого определяются численные значения l для жидкостей.

Скорость испарения резко снижается при нанесении на поверхность жидкости достаточно прочной плёнки нелетучего вещества. Испарение жидкости в газовой среде, например в воздухе, происходит медленнее, чем в разреженном пространстве (вакууме), так как вследствие соударений с молекулами газа часть частиц пара вновь возвращается в жидкость (конденсируется).

Испарение относится к фазовым переходам 1-го рода, которые характеризуются отличной от нуля теплотой фазового перехода. При процессе, обратном испарению, т. е. при образовании из пара жидкой фазы (конденсации), происходит выделение теплоты испарения.

Испарение применяется в технике как средство очистки веществ или разделения жидких смесей перегонкой. Испарение лежит в основе пароэнергетики, работы холодильных и др. установок, а также всех процессов сушки материалов.

В естественных условиях испарение является единственной формой передачи влаги с океанов и суши в атмосферу и основной составляющей круговорота воды на земном шаре.



3. Заторы и зажоры льда

Затор - это скопление льда в русле, ограничивающее течение реки. В результате происходит подъем воды и ее разлив.

Затор образуется обычно в конце зимы и в весенний период при вскрытии рек во время разрушения ледяного покрова. Состоит он из крупных и мелких льдин.

Зажор - явление, сходное с затором льда. Однако, во-первых, зажор состоит из скопления рыхлого льда (шуга, небольшие льдинки), тогда как затор есть скопление крупных и в меньшей степени небольших льдин. Во-вторых, зажор льда наблюдается в начале зимы, в то время как затор - в конце зимы и весной.

Главной причиной образования затора является задержка процесса вскрытия льда на тех реках, где кромка ледяного покрова весной смещается сверху вниз по течению. При этом движущийся сверху раздробленный лед встречает на своем пути еще не нарушенный ледяной покров. Последовательность вскрытия реки сверху вниз по течению является необходимым, но недостаточным условием возникновения затора льда. Основное условие создается только тогда, когда поверхностная скорость течения воды при вскрытии довольно значительна (0,6-0,8 м/с и более). Различные русловые препятствия, как, например, крутые повороты, сужения, острова, изменение уклона поверхности от большего к меньшему, лишь усиливают процесс.

Зажоры образуются на реках в период формирования ледяного покрова. Необходимым условием образования является возникновение в русле внутриводного льда и его вовлечение под кромку ледяного покрова. Решающее значение при этом имеет поверхностная скорость течения (более 0,4 м/с), а также температура воздуха в период замерзания. Образованию зажоров способствуют острова, отмели, валуны, крутые повороты, сужение русла. Скопление шуги и другого рыхлого ледяного материала, образующегося на этих участках в результате непрерывного процесса образования внутри водяного льда и разрушения ледяного покрова, вызывает стеснение водного сечения, вследствие чего происходит подъем воды выше по течению. Ниже - уровни понижаются. Образование сплошного покрова в месте образования зажора задерживается.

Краткая характеристика заторов и зажоров

Их главными определяющими являются: строение, размеры, максимальный уровень и максимальный подъем воды.

В строении затора выделяются три характерных участка: замок - покрытый трещинами ледяной покров или перемычка из льда. заклинивших русло; собственно затор (голова затора) - многослойное скопление хаотически расположенных льдин, подвергшихся интенсивному торошению; хвост - примыкающее к затору однослойное скопление льда в зоне подпора.

Длина головной части затора обычно превышает ширину реки в 3 - 5 раз. На этом участке скопление льда имеет максимальную толщину. Длина хвоста затора на крупных реках может достигать нескольких десятков километров. На средних реках общая длина затора может быть от одного до нескольких километров.

Зажорные массы льда однородны по своему строению и располагаются непосредственно у кромки ледяного покрова и под ним. Здесь они имеют небольшую толщину. Длина зажорного участка может составлять от 3 до 5 величин ширины реки. Это примерно 3 - 5 км на средних и до 15 км на больших.

Основными характеристиками являются максимальные подъемы уровней воды. Максимальный заторный уровень, как правило, превышает уровень весеннего половодья. Максимальный зажорный уровень превышает уровень воды при ледоставе.

Применяется также такая характеристика, как продолжительность затора или зажора. Затор льда - явление кратковременное. Высокий уровень держится обычно от 0,5 до 1,5 суток. Бывали случаи и более длительного стояния, но они всегда связаны с похолоданием и сокращением стока воды. Период подъема зажорного уровня несколько более длительный, до 3 суток. Спад уровня обычно происходит за 10 - 15 суток.

Другой часто применяемой характеристикой заторов и зажоров служит повторяемость этих явлении. Здесь колебания весьма велики. В одних местах они повторяются через 2 - 5 лет, в других - значительно реже.

Непосредственная опасность этих явлений заключается в том, что происходит резкий подъем воды. и в значительных пределах. Вода выходит из берегов и затопляет прилегающую местность. Кроме того, опасность представляют и навалы льда на берегах высотой до 15 м, которые часто разрушают- прибрежные сооружения.

Зажорные явления приводят к более тяжелым последствиям, так как они случаются в начале, а иногда и в середине зимы и могут длиться до 1,5 месяцев. Разлившаяся вода замерзает на полях и в других местах, создавая сложности для ликвидации последствий такого стихийного бедствия.

Мощные и частые заторы льда присущи тем рекам, у которых вскрытие происходит сверху вниз по течению. Такая последовательность характерна для Северной Двины, Печоры, Лены, Енисея, Иртыша - рек, текущих с юга на север.

Места образования заторов льда можно разделить на постоянные и непостоянные. Постоянные места известны. Непостоянные - известны меньше. Большей частью это крутые повороты в сочетании с сужением русла.

Заторы на реках - широко распространенное явление и свойственны в основном крупным рекам, например: Северной Двине, Сухоне, Печоре, Енисею и многим другим.

По частоте зажорных наводнений и величине подъема воды первенство принадлежит двум самым крупным озерным рекам - Ангаре и Неве.

Классификация заторов и зажоров

Главным критерием является мощность затора или зажора. Поэтому они подразделяются на катастрофически мощные, сильные, средние и слабые. Катастрофически мощный затор или зажор определяется так:

к рассчитанному максимальному уровню весеннего половодья приплюсовывается 5 и более метров; для сильных - от 3 до 5 м, средних - 3 м и меньше. При слабых заторах и зажорах в величины наивысших уровней воды весеннего половодья поправки не вводятся.

4. Физические свойства воды

энергия океан затор лед вода

1. Плотность воды. В физике плотность неоднородной сплошной среды - предел отношения массы вещества этой среды m к объему V, в котором она заключена:

(1)

Плотность однородной сплошной среды определяется массой вещества этой среды в единице объема:

с = m/V. (2)

Плотность воды, как и всякого другого вещества, является функцией температуры и давления, т. е.

с = f(t, P) (3)

Обычно функция (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: с = 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 в, который равен отношению относительного изменения объема жидкости V к изменению давления P и определяется по формуле

или (4)

Знак минус показывает, что увеличению давления соответствует уменьшение объема.

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

k = 1/в. (5)

Приняв значение модуля объемной упругости для воды близким к его среднему значению и равным 2·10⁹ Па, получим коэффициент сжимаемости в ? 5·10^-101/Па.

Определим теперь уменьшение объема 1м³ воды, перенесенного на глубину 1000м (ДP ? 10⁷ Па) с поверхности. Из формулы (2.4) имеем

dV = вV₀ dP или ДV = вV₀ ДP, (6)

где V₀ - единичный (удельный) объем воды на поверхности.

Подставив соответствующие значения в уравнения (2.6), получим ДV = 5·10^-10· ·1·10⁷ = 5·10^-3 м³ (или 0,5%). Эти расчеты показывают, что вода очень мало сжимаема.

Коэффициент в 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

или (7)

откуда

V₂ = V₁ (1 + в_t Дt), (8)

где ДV = V₂ - V₁ - изменение объема жидкости; V₁ и V₂ - объемы жидкости соответственно при температуре t₁ и t₂; Дt = t₂ - t_1.

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

(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:

(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) (11)

Формулой 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/Дt, (12)

где dQ - бесконечно малое количество теплоты, вызвавшее бесконечно малое повышение температуры dt; Дt = 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 Дt). (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‰.

Переход воды из жидкого состояния в твердое (кристаллическое - лед) сопровождается выделением теплоты кристаллизации Q_кр., а обратный ему процесс - таяние льда - поглощением теплоты плавления Q_пл.. Эта способность вещества определяется удельной теплотой кристаллизации (плавления):

L_кр. = Q_кр./m или L_пл. = Q_пл./m, (14)



где m - масса затвердевающего (тающего) тела.

Таблица 1. Теплофизические свойства воды

t, 0С	с, КДж. КгЧК	lw, Вт. МЧК	аЧ104, м2 с	uЧ106, м2 с	m, кгЧсек м2	btЧ106, 0С -1	Рr
0	4,12	0,554	0,0013	1,790	182,3	-68,28	13,7
10	4,12	0,573	0,00136	1,300	133,1	88	9,56
20	4,12	0,597	0,00142	1,000	102,0	206,77	7,06
30	4,12	0,616	0,00153	0,805	81,7	303,26	5,5

Удельная теплота кристаллизации воды L_кр. - это количество теплоты, которое выделяется при кристаллизации 1кг воды при постоянной температуре. Для дистиллированной воды она равна 33,3·10⁴ Дж/кг.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения Q_и. Источником ее обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, поэтому при испарении она охлаждается. Обратный испарению процесс - конденсация пара - сопровождается выделением теплоты Q_к, равной теплоте испарения. Эта способность вещества определяется удельной теплотой испарения (конденсации):

L_и = Q_и/m или L_к = Q_к/m. (15)

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

L_и = (25 - 0,024t_п) 10⁵, (16)



где 25·10⁵ Дж/кг - удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0°С; t_п - температура поверхности испаряющейся воды.

Температуропроводность - физический параметр вещества и, в частности, воды, способствующий передаче теплоты таким образом, что температура в каждой точке стремится к соответствующему в данный момент установившемуся состоянию. Характеристикой температуропроводности является коэффициент температуропроводности

a = л/(cс),

где л - коэффициент теплопроводности. Коэффициент температуропроводности воды слабо зависит от температуры: при температуре, равной 0 и 10°С, a соответственно равно 0,485·10^-3 и 0,504·10^-3 м²ч.

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

4. Вязкость. Вязкость есть физическое свойство вещества (жидкости, газа, твердого тела) оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Вязкость является одним из главных свойств воды. Различают объемную и тангенциальную вязкость. Под объемной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягивающие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, например, при распространении в ней звуковых и особенно ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивление 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 стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая, задерживающая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.

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

ф = м dх/dn, (17)

где м - динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость). Он определяет собой силу трения, приходящуюся на единицу поверхности при градиенте скорости, равном единице. Поэтому иногда его называют коэффициентом внутреннего трения. В реальной жидкости, в отличие от идеальной, м № 0.

Динамический коэффициент вязкости воды в сильной степени зависит от температуры, но почти не зависит от давления. Значение этого коэффициента для пресной воды, полученное опытным путем для t°С = 0°С, м = 1,793·10³ Па·с. При расчете динамического коэффициента вязкости применяют эмпирическую формулу Пуазейля:



м = 0,000183/(1 + 0,0337t + 0,000221t²), (18)

где t - температура воды.

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

н = м/с (19)

Значения коэффициентов вязкости существенно уменьшаются с повышением температуры.

Динамический коэффициент вязкости соленой воды незначительно отличается от коэффициента вязкости пресной воды. Например, при t = 20°С и S = 25‰ он равен 1,052·10^-3 Па·с, а для пресной воды - 1,003·10^-3 Па·с, т. е. больше примерно на 5%.

5. Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение воды возникает на поверхности соприкасания ее с воздухом, твердым телом или другой жидкостью. Оно обусловлено силами притяжения между молекулами. Внутри воды силы притяжения между молекулами взаимно компенсируются, а на молекулы, находящиеся вблизи поверхности, действует нескомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь от ее поверхности. Поверхностное натяжение стремится уменьшить поверхность жидкости до минимума. Поэтому капли жидкости имеют сферическую форму, а в невесомости - форму шариков (поверхность сферы является наименьшей из всех геометрических фигур равного со сферой объема).

Сила поверхностного натяжения F действует на свободной поверхности жидкости, направлена по касательной к поверхности и нормально к границе свободной поверхности; она определяется по формуле



F = уl, (20)

где l - длина контура поверхности жидкости; у - коэффициент поверхностного натяжения (поверхностное натяжение), H/м. Коэффициент поверхностного натяжения зависит не только от природы жидкости и ее температуры, но и от природы и состояния той среды, с которой соприкасается данная жидкость. В пределах от - 5... 35°С он может быть вычислен по формуле (Н/м)

у = (75,64 - 0,15t) 10³ (21)

Коэффициент поверхностного натяжения соленой воды отличается незначительно от коэффициента поверхностного натяжения пресной воды.

Поверхностное натяжение влияет на условия обмерзания сооружений, испарение, волнение, влажность снежного покрова и другие гидроледотермические явления.

6. Смачивание. При соприкосновении твердого тела с водой смачивание наблюдается в том случае, когда взаимодействие между их молекулами сильнее взаимодействия между молекулами самой воды. В этом случае вода будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. Когда же взаимодействие между молекулами твердого тела и молекулами соприкасающейся с ним воды более слабое, чем между молекулами самой воды, вода будет стремиться сократить поверхность 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. Поверхность смачивающей жидкости, находящейся в узких капиллярах, принимает вогнутую форму (рис. 2.1). При вогнутом мениске давление жидкости (воды) под ним будет меньше атмосферного на уровне горизонта подземных вод P_а на величину

ДP = 2у/r, (22)

где r - радиус кривизны мениска (обычно принимается равным радиусу капилляра). Поэтому в капиллярах почвогрунтов вода поднимается на высоту h, при которой вес ее столба уравновешивает отрицательное дополнительное давление, обусловленное кривизной мениска:

ДP = сgh, (23)

где с - плотность воды, g - ускорение свободного падения.

Приравняв (22) и (23), получим

h = 2у/(сgr) (24)

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

В почвогрунтах часто наблюдаются случаи, когда капиллярная влага при понижении уровня грунтовых вод отрывается и находится в подвешенном состоянии (подвешенная влага) (см. рис. 1, правый капилляр).



Рис. 1. Схема увлажнения капилляров водой без отрыва от грунтовых вод (слева) и с отрывом от грунтовых вод (справа)

В этом случае формула (22) примет вид

ДP = - ДP₁ + ДP₂ = 2у (1/r₂ - 1/r₁), (25)

где r₁ и r₂ - радиусы кривизны вогнутого и выпуклого менисков.

7. Электрические свойства воды. Удельное электрическое сопротивление воды с_э существенно зависит от температуры. Минерализация воды резко понижает ее удельное электрическое сопротивление. Так, у ладожской воды оно составляет 2,6·10⁴ Ом·м, а у морской - порядка 0,3 Ом·м (для сравнения: бумага - 10¹⁵, медь - 2·10^-8 Ом·м). По приведенным значениям удельного электрического сопротивления можем судить, что чистая вода является плохим проводником электричества. Электрическая проводимость воды может 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 (6,13·10^-29Кл·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.

Диэлектрическая проницаемость е показывает, во сколько раз напряженность поля с данным веществом ниже, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость воды при 20°С е = 81.

Способность воды растворять соли возрастает с повышением температуры и понижается с ее уменьшением. Этим обстоятельством объясняется выпадение солей из воды сильно минерализованных озер осенью и в зимний период.

8. Тяжелая вода. В природных водах суши тяжелая вода встречается в очень слабой концентрации, порядка 1 : 7000, и добывается в промышленных установках. Большую роль тяжелая вода играет в ядерной энергетике. В ее состав входит тяжелый изотоп водорода ²H, называемый дейтерием, поэтому обозначают его через D и химическая формула тяжелой воды имеет вид D₂O.

Температура замерзания тяжелой воды 3,82°С; температура кипения 101,42°С. Наибольшая плотность тяжелой воды наблюдается при температуре 11,6°С. Плотность тяжелой воды при 20°С равна 1,1056, тогда как плотность обычной воды при этой температуре равна 0,9982, т. е. плотность тяжелой воды при температуре 20°С больше плотности обычной воды на 10,1%. Наибольшая плотность тяжелой воды превышает наибольшую плотность дистиллированной воды на 11% и составляет 1110 кг/м³.

Вязкость тяжелой воды мґ больше вязкости обыкновенной воды м. Отношение мґ/м 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 H/м при одинаковых условиях - нормальном давлении и 20°С.



Список используемой литературы

1. Алексеев Л.С. Контроль качества воды: учебн.: перер. и доп. / Л.С. Алексеев. - 3-е изд. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 154с.

2. Гусев А.М. Основы океанологии. - М.: Изд-во МГУ, 2003. - 246 с.

3. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь/ И.И. Дедю. - Кишинев: Гл. ред. Молдавской советской энциклопедии, 1989. - 406с.

4. Михайлов С.В. Мировой океан и человечество: учеб. пособие. / С.В. Михайлов. - М.: Экономика, 1999. - 400 с.

5. Рогачева И.А. Планета Мировой океан: учеб. пособие. / И.А. Рогачева. - СПб.: Гуманитарная Академия, 2008. - 744 с.

5. Яковлев П.И. Беззащитная вода // Экология и жизнь. - 2005. - №8. - С.60-62.

6. http://ru. wikipedia.org/wiki/

7. http://geography. kz/

8. http://www.ecosystema.ru/

9. http://bse. sci-lib.com

10. Кикоин И. К. и Кикоин А. К., Молекулярная физика, М.,1963;

11. Букалович М. П., Новиков И. И., Техническая термодинамика, 3 изд., М.-Л., 1962;

12. Константинов А. Р., Испарение в природе Л., 1963.

Размещено на Allbest.ru