Физические свойства воды

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ, ВОДЯНОГО ПАРА, ЛЬДА И СНЕГА

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(t⁰, 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 (Δ P ≈ ρgh=1000*10*1000=10⁷ Па) с поверхности. Из формулы (2.4) имеем

dV = β V ₀ dP или Δ V = β V ₀ Δ P, (2.6)

где V ₀ — единичный (удельный) объем воды на поверхности.

Подставив соответствующие значения в уравнения (2.6), получим Δ V = 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

V ₂ = V ₁ (1 + β _t Δ t), (2.8)

где Δ V = V ₂ - V ₁ — изменение объема жидкости; V ₁ и V ₂ — объемы жидкости соответственно при температуре t ₁и t ₂; Δ t = t ₂ - 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.

Поиск по сайту: