Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

Удельная теплоемкость воды при постоянном объеме cv меньше теплоемкости при постоянном давлении и может быть рассчитана по значению ср на основе первого и второго начал термодинамики и уравнения состояния.

Расчетная формула имеет вид

Су—Ср

Тае2 М ’

где Т — абсолютная температура, а — удельный объем, е — коэффи­ циент теплового расширения, k — истинный коэффициент сжимае­ мости и / — механический эквивалент работы.

Чаще при расчетах важно знание не абсолютной величины cVy

Ср

а отношения у = -----, используемого, в частности, для расчета ско-

Со

рости звука в воде.

Для дистиллированной воды при температуре ее наибольшей плотности 4° С и атмосферном давлении у=1. С повышением тем­ пературы у увеличивается до 1,1022 при температуре 90° С.

По данным Экмана, для морской воды соленостью 34,85%0 и ат­ мосферном давлении у растет от 1,0004 при 0°С до 1,0207 при 30° С. Растет у и при увеличении давления. Так, например, при0°С и дав­ лении 1000 децибар у= 1,009, а при давлении 10000 децибар и той же температуре у= 1,0126.

Удельная теплоемкость воды превышает теплоемкость других веществ. Только несколько веществ, как аммиак и жидкий водород,

соответственно). Большинство же веществ, в том числе воздух и по­ роды земной коры, имеют удельную теплоемкость значительно меньше, чем вода. Так, например, воздух имеет удельную теплоем­

кая кость 0,237, гранит 0,200, кварц 0,190------------.

г-град

Высокая теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью суши оказывает огромное влияние на характер тепловых и динамических процессов, протекающих в атмосфере, обеспечивая накопление больших запасов тепла в океане в теплую часть года и постепенную его передачу атмосфере в зимнюю.

Теплопроводность. Под теплопроводностью морской воды по­ нимается количество тепла, переносимого в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направле­ нию градиента температуры, когда последний равен единице. Она характеризуется либо к о э ф ф и ц и е н т о м м о л е к у л я р н о й т е ­ п л о п р о в о д н о с т и х, когда передача тепла осуществляется мо­ лекулами воды при их хаотическом движении, либо к о э ф ф и ц и ­ е нт о м т у р б у л е н т н о й т е п л о п р о в о д н о с т и , когда пе­ редача тепла осуществляется большими объемами воды при их вихревом (турбулентном) движении.

59

Общее количество тепла Q, переносимое в результате молеку­ лярной теплопроводности, определяется формулой

dt

где — ---- градиент температуры.

Наибольшие изменения температуры в океане, а следовательно, и наибольшие ее градиенты наблюдаются в вертикальном направ­ лении. Горизонтальные градиенты температуры примерно в 10е— 107 раз меньше вертикальных. Тем не менее даже в вертикальном направлении передача тепла за счет молекулярной теплопроводно­ сти протекает весьма медленно вследствие малого значения коэф­ фициента молекулярной теплопроводности. Для дистиллированной

ской воды немного меньше и возрастает с увеличением температуры и давления. Расчеты показывают, что если бы температура воды на поверхности океана была 0°С, а затем повысилась до 30° С и оста­ валась неизменной, то в результате молекулярной теплопроводности температура на глубине 300 м оказалась бы через 1000 лет равной только 3° С.

Молекулярная теплопроводность в чистом виде в океане может наблюдаться только тогда, когда либо вода неподвижна, либо ча­ стицы воды перемещаются в виде параллельных струй (ламинарное движение). Ни одно, ни другое условие в океане не наблюдается. Как показывают наблюдения, в воде практически всегда происхо­ дит вихревое (турбулентное) движение. Поэтому как приведенный пример расчета интенсивности молекулярной теплопроводности, так и отсутствие реальных условий для ее существования в океане поз­ воляют не принимать в расчет молекулярную теплопроводность.

Для океана основную роль играет теплопроводность, связанная с турбулентностью, которая будет рассмотрена в гл. III. Здесь только отметим, что коэффициент турбулентной теплопроводности в тысячи раз больше коэффициента молекулярной теплопроводности.

С теплопроводностью связана т е м п е р а т у р о п р о в о д н о с т ь , характеризующая скорость переноса тепла. Она имеет размерность см2/с в системе СГС и определяется как отношение коэффициента теплопроводности воды к ее теплоемкости при постоянном давлении ср и плотности р. Для молекулярной температуропроводности это отношение имеет вид

Тепловое расширение морской воды, температура ее наиболь­ шей плотности и замерзания. С изменением температуры морской воды изменяется и ее объем. Мерой этого изменения служит коэф-

60

фициент теплового (объемного) расширения е, определяемый из со­ отношения

где а — удельный объем.

Зависимость е от температуры и солености представлена на рис. 2.5. На этом рисунке линия е = 0 характеризует те значения тем­ пературы и солености, при которых удельный объем будет наимень­ шим, а следовательно, плотность — наибольшей. Поэтому ее мо­ жно рассматривать как кривую, характеризующую т е м п е р а т у р у н а и б о л ь ш е й п л о т ­

ской воды от ее солености. Обе кривые пересекаются

вточке с соленостью

ствие чего соленость незамерзшей воды возрастает. С увеличением солености понижается температура замерзания; следовательно, од­ ной из особенностей льдообразования в морской воде будет то, что этот процесс может происходить только при непрерывном пониже­ нии температуры. В пресной воде, как известно, замерзание воды происходит при неизменной температуре.

Вторая особенность льдообразования в морской воде связана с точкой пересечения кривых температуры наибольшей плотности и начала замерзания морской воды.

Температура наибольшей плотности воды с соленостью меньше 24,695%о, так же как и пресной воды, лежит выше температуры ее замерзания. Поэтому процесс замерзания развивается в такой воде почти так же, как в пресной.

Осенью, с началом холодов, начинается общее выхолаживание водоемов. Прежде всего, охлаждается поверхностный слой воды. Плотность ее при этом повышается и вода с поверхности опускается

61

вниз, а на ее место поднимается более теплая вода. Благодаря пе­ ремешиванию вся толща воды достигает сначала определенной тем­ пературы (гомотермия), равной температуре наибольшей плотно­ сти. При дальнейшем охлаждении плотность воды поверхностного слоя начинает уменьшаться и перемешивание прекращается. Для образования льда в воде с соленостью меньше 24,695%0 оказывается достаточным ее охлаждение до температуры замерзания сравни­ тельно тонкого поверхностного слоя.

Температура наибольшей плотности воды с соленостью, большей 24,695%о, лежит ниже температуры ее замерзания.

При охлаждении такой воды перемешивание во время замерза­ ния не прекращается. Поэтому для образования льда необходимо охладить значительно больший по толщине поверхностный слой, чем при замерзании пресной и солоноватой воды.

Скрытая теплота испарения и льдообразования. Скрытая теп­ лота испарения воды определяется количеством тепла в калориях, затрачиваемого на превращение 1 г воды в пар той же температуры. Равное ему количество тепла, выделяемое при конденсации 1 г во­ дяного пара, называется с к р ы т о й т е п л о т о й к о н д е н с а ц и и . Для дистиллированной воды в пределах температур от 0 до 30° С скрытая теплота испарения определяется формулой

L = 596 — 0,52^ кал/г,

которая используется и при расчетах испарения морской воды. Скрытая теплота испарения воды, как следует из формулы, ве­

лика, и поэтому она играет большую роль в тепловом балансе по­ верхности океана и атмосферы. Это тепло вместе с водяным паром переходит в атмосферу, составляя положительную часть ее тепло­ вого баланса и отрицательную для океана.

С к р ы т а я т е п л о т а л ь д о о б р а з о в а н и я определяется количеством тепла в калориях, выделяемого при переходе одного грамма воды в лед той же температуры. Равное ему количество

ного льда она равна 79,67 кал/г при 0° С.

Для морского льда, таяние которого происходит при непрерыв­ ном повышении температуры, правильнее говорить не о скрытой те­ плоте плавления, а о числе калорий, необходимых для расплавления 1 г морского льда с начальной температурой t. Это тепло расхо­ дуется на плавление чистого льда, заключенного в 1 г морского льда, и на повышение температуры чистого льда и рассола \ обра­ зующегося при таянии льда. Затрачиваемое при этом количество тепла приведено в табл. 7 (по Н. Н. Зубову).

Вязкость (внутреннее трение). Вязкость, так же как и тепло­ проводность, можно рассматривать:

1 Определение рассола и процесса его образования дано в гл. IV.

62