Файл: Давыдов Л.К. Общая гидрология учебник.pdf

решетку, чем кварц, и его удельный объем на 10% больше, чем кварца. Лед по сравнению с водой имеет менее плотную упаковку

При охлаждении воды количество ассоциированных молекул возрастает, но так как при понижении температуры решетка воды непрерывно деформируется, приближаясь к решетке льда, то к мо­ менту замерзания полная перестройка молекул завершается увели­ чением объема. Для большинства тел при переходе из жидкой фазы в твердую характерно уменьшение удельного объема и уве­ личение плотности. При замерзании воды удельный объем увеличи­ вается примерно на 10%. Плотность чистого льда при температуре 0° С равна 0,9167103 кг/м3, т. е. меньше, чем воды. Поэтому лед держится на поверхности, предохраняя водоемы от промерзания до дна. Образующийся внутриводный и донный лед (стр. 84, 301) всплывает к поверхности. Сложной структурой молекул воды и пе­ рестройкой их решеток можно объяснить увеличение плотности воды с повышением температуры от 0 до 4° С, аномальное измене­ ние ее удельной теплоемкости с изменением температуры, высокую теплоту плавления, парообразования, диэлектрическую постоянную и некоторые другие особенности.

Согласно кинетической теории газов и жидкости, удельный объем всех тел при повышении температуры увеличивается, т. е. уменьшается плотность. Вода отличается от других тел и в этом отношении: в интервале от 0 до +4° С ее плотность увеличивается в связи с частичным разрушением тетраэдральной структуры, а при дальнейшем повышении температуры плотность уменьшается (удельный объем увеличивается) вследствие увеличения расстоя­ ния между молекулами. У морской воды температура наибольшей плотности зависит и от солености. С повышением температуры и понижением солености плотность уменьшается, а с понижением температуры и увеличением солености увеличивается.

на 1 К (или 1°С). Теплоемкость морской воды несколько ниже, чем пресной, так как присутствующие в ее растворе вещества имеют незначительную теплоемкость. Обычно теплоемкость всех тел, как жидких, так и твердых, увеличивается с повышением тем­ пературы. Теплоемкость воды с повышением температуры от 0 до 40° С падает, а затем начинает повышаться. Теплоемкость мор­

3943 Д ж /(кг- К)). Удельная теплоемкость воздуха и пород земной

коры значительно меньше удельной теплоемкости воды: воздуха 993 Д ж /(кг • К), кварца 796 Д ж /(кг • К) и гранита 838 Д ж /(кг • К). Большая теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью воз­ духа и пород суши имеет огромное климатическое значение, оказы­ вает влияние на тепловые и динамические процессы, протекающие на Земле.

Теплопроводность воды весьма незначительна. Теплопровод­ ность химически чистой воды при температуре 293 К (20° С) равна 0,557 Вт/(м-К). Это значит, что в единицу времени (1 секунду) через единицу поверхности (1 м2) по направлению, перпендику­ лярному к ней, протекает количество тепла, равное 0,557 Дж, при условии, что температура воды по этому же направлению понижа­ ется на расстоянии 1 м на 1 К. У морской воды при температуре 291 К теплопроводность составляет 0,561 Вт/(м-К), воздуха при той же температуре всего лишь 0,023 Вт/(м-К), морского льда 1,173 Вт/(м • К).

Вода, лед и воздух плохо проводят тепло, поэтому в естествен­ ных водоемах передача тепла в глубины происходит чрезвычайно медленно. Обогревание же глубинных вод связано с процессами вертикального перемешивания. Для Мирового океана важную роль играет теплопроводность, связанная с турбулентностью, ко­ эффициент которой в тысячи раз превосходит коэффициент молеку­ лярной теплопроводности. Для оценки скорости переноса тепла определяют температуропроводность. Она равна отношению коэф­ фициента теплопроводности воды к ее плотности и теплоемкости при постоянном давлении. Весьма малая теплопроводность воды, льда и снега и высокая теплоемкость благоприятны для развития жизни в водоемах.

Скрытая теплота испарения и льдообразования. При переходе воды из жидкой фазы в парообразное состояние процесс испаре­ ния происходит медленно, а с повышением температуры более ин­ тенсивно. Когда упругость водяных паров становится равной внеш­ нему давлению, вода закипает. Температура кипения химически чистой воды при нормальном давлении 1013 мб (760 мм) соответст­ вует 100° С, при давлении 970 мб — 98,8° С, а при 1020 мб 100,2° С. При испарении и при конденсации 1 кг воды затрачивается и вы­ деляется определенное количество тепла, называемое скрытой удельной теплотой парообразования (испарения), величина кото­ рой при 273 К равна 2,5 - 10е Дж/кг (597 кал/г). С повышением температуры она понижается и при 373 К равна 2,26ІО6 Дж/кг, т. е. 539 кал/г при 100° С. Скрытая теплота парообразования чи­ стого льда или снега при 273 К больше, чем воды, на величину теплоты плавления 3,35ІО5 Дж/кг (677 кал/г).

Температура замерзания и плавления льда при нормальном давлении равна 273 К. Количество тепла в джоулях, затрачивае­ мое на превращение 1 кг льда в воду, называют скрытой теплотой плавления; равное ему количество тепла, затрачиваемое на прев­ ращение 1 кг воды в лед,— скрытой удельной теплотой льдообра­ зования. Для пресного льда и воды она равна 3,35-ІО5 Дж/кг

(80 кал/г). Для морской воды, которая замерзает при разной температуре в зависимости от количества растворенных веществ, т. е. от солености, теплота плавления изменяется от 80 кал/г при t = —1° С и 5 = 0%о до 48 кал/г при t = —2° С и 5 = 15%о-

Высокая теплота испарения воды и плавления льда имеет важ­ ное значение для теплового баланса Земли.

Диэлектрическая постоянная воды (е) весьма высока — она равна 81. У большинства тел она находится в пределах 2—8. Вы­ сокий дипольный момент при незначительном молекулярном объ­ еме воды обусловливает высокое значение е. Только немногие соединения обладают высокой диэлектрической постоянной (нитро­ бензол 36, спирты метиловый 33, этиловый 26 и рутил 170). Вслед­ ствие большой диэлектрической постоянной вода отличается боль­ шой ионизирующей способностью (способностью расщеплять моле­ кулы растворенных веществ на ионы) и высокой растворимостью различных элементов, входящих в состав почв и горных пород.

Поверхностное натяжение. Внутримолекулярные силы прояв­ ляются внутри воды в виде сил сцепления, а на свободной по­ верхности— в виде сил прилипания. Первые обусловливают вяз­ кость, вторые — поверхностное натяжение. На свободной поверх­ ности межмолекулярные силы стремятся втянуть все молекулы во внутрь жидкости и уменьшить свободную поверхность. В ре­ зультате этого возникает сила поверхностного натяжения, направ­ ленная нормально к поверхности воды. Коэффициент поверхност­ ного натяжения изменяется от 7,13 -10-2 до 7,65-10-2 Н/м (от 71,32 до 76,52 дин/см) в зависимости от температуры и солености. С ним связано образование первичных капиллярных волн на по­ верхности озер, морей и океанов.

Вязкость. Вода обладает вязкостью, или внутренним трением. Сила внутреннего трения для воды

Для ламинарных движений с малыми скоростями, когда слои воды, не смешиваясь, как бы скользят друг по другу, характерна молекулярная вязкость. Коэффициент молекулярной вязкости чи­ стой воды при 0° С равен 0,01795 • 10~5 кг • м/с.

При исследовании ламинарных движений коэффициент молеку­ лярной вязкости иногда заменяют коэффициентом кинематической

туры молекулярная вязкость заметно понижается, а с увеличением солености повышается. В природных условиях молекулярная вяз­ кость имеет меньшее значение, чем турбулентная. Скорости и мас­ штабы реальных динамических процессов определяют не

ламинарный, а турбулентный характер движения, при котором возникают вихреобразование и пульсации скорости. Коэффициент молекулярной вязкости в этом случае заменяется коэффициентом турбулентного внутреннего трения (см .стр. 80).

Вода отличается большой подвижностью. Под влиянием раз­ личных внешних и внутренних сил воды естественных водоемов приходят в движение. Наряду с такими крупномасштабными дви­ жениями, как приливы, сейсмические волны, течения, а также вол­ нение, колебания уровня, вертикальное перемешивание, движение воды может происходить под влиянием молекулярных сил. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами воды и веществ, с которыми они взаимодействуют, определяют движение воды в капиллярах почв и грунтов. Исследования физических свойств воды показывают, что у пресной воды эти силы зависят главным образом от изменений температуры и давления, а у мор­ ской, кроме того, и от солености. Так, например, морская вода, представляя собой высокоионизированный раствор различных со­ лей, хорошо проводит электрический ток.

Электропроводность морской воды зависит от температуры и солености. При изменении температуры от 0 до 24° С и солености

В воде обнаружены теллурические токи, обусловленные корпус­ кулярным излучением Солнца, связанным с числом солнечных пя­ тен. Величина этих токов в Мировом океане выше, чем в земной коре, вследствие лучшей электропроводности морской воды. Эти токи усиливаются при магнитных бурях и увеличении интенсивно­ сти солнечных сияний, т. е. в периоды солнечной активности.

Кроме теллурических токов, в воде обнаружены токи индукции, вызванные движением воды относительно силовых линий магнит­ ного поля Земли.

При изучении физических и химических свойств воды необхо­