2.3.3. Тепловые свойства воды

К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды или так называемых фазовых переходов относятся большая затрата теплоты на плавление, испарение, кипение, возгонку и большое выделение теплоты при обратных переходах. В сравне­нии с другими веществами удельная теплота плавления льда и удельная теплота парообразования аномально высоки. Они пред­ставляют две очередные "аномалии" воды.

Удельная теплота плавления пресного льда L_пл. – количество теп­лоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду) равна 333000 Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при замерза­нии (кристаллизации) химически чистой воды.

Удельная теплота парообразования (испарения) L_исп. – (количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар (в Дж/кг)) зависит от температуры:

L_исп. = 2,5·10⁶- 2,4·10³Т (6)

При 0 и 100 °С L_исп. равны соответственно 2,5·10⁶ и 2,26·10⁶ Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при конденсации водяного пара.

Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения:

L_возг. = L_пл. + L_исп. (7)

При конденсации воды, ледообразовании или конденсации в твердую фазу (сублимации) также выделяется теплота.

Для нагревания воды вне точек фазовых переходов необходи­мо затратить большое количество теплоты. Удельная теплоемкость воды (количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус) также аномально высока по сравнению с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ. Удельная теплоемкость воды при постоянном давлении с_р при 15 °С равна 4190 Дж/(кг·°С).

С увеличением содержания в воде солей удельная теплоемкость воды слабо уменьшается. Поэтому теплоемкость морской воды немного меньше, чем пресной.

Отмеченные особенности тепловых свойств воды – аномально большие удельная теплота плавления, удельная теплота испарения и удельная теплоемкость воды, а также аномально высокие темпе­ратура плавления и температура кипения – объясняются одной и той же причиной: наличием сильных межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льде.

Из других тепловых свойств воды важное значение имеет теплопроводность. Молекулярная теплопроводность воды очень мала и рав­на у химически чистой воды 0,57 Вт/(м·°С), у льда 2,24 Вт/(м·°С), у снега 1,8 Вт/(м·°С). Меньшую молекулярную теплопроводность имеет лишь воздух.

С уменьшением температуры и давления и увеличением соле­ности теплопроводность воды немного уменьшается. С понижени­ем температуры и уменьшением плотности льда и снега их тепло­проводность также уменьшается.

Малая теплопроводность воды способствует ее медленному нагреванию и охлаждению. Снег предохраняет почву, а лед – водо­емы от промерзания.

2.3.4. Некоторые другие физические свойства воды

Молекулярная вязкость воды (внутреннее трение).

По сравнению с вязкостью других жидкостей вязкость воды невелика, что также относится к специфическим свойствам воды. Вязкость жидкости характеризуется кинематическим коэффициентом вязкости v, м²/с, и динамическим коэффициентом вязкости μ, кг/(м·с).

Благодаря малой вязкости вода текуча, и даже небольшие по величине внешние силы приводят ее в движение. Вода способна переносить большие количества растворенных и взвешенных ве­ществ, а также теплоты.

Увеличение минерализации несколько повышает вязкость воды: увеличение солености на 10 ‰ приводит к возрастанию коэффици­ента вязкости приблизительно на 1,5 %. С ростом давления вяз­кость воды уменьшается, а не повышается, как у других жидкостей.

Лед – твердое тело, обладающее пластичностью, которая позво­ляет ему в некоторых условиях, например в ледниках, двигаться.

Поверхностное натяжение и смачивание. У воды по сравнению с другими жидкостями очень высокое поверхностное натяжение. С ростом температуры поверхностное натяжение воды немного уменьшается. Коэффициент поверхностного натяжения воды изме­няется от 75,6·10^-3 Н/м при 0 °С до 60,8·10 ³ Н/м при 90 °С. Лишь ртуть в жидком состоянии обладает более высоким поверхностным натяжением.

Необычайно высокое поверхностное натяжение воды способ­ствует размыву почв и грунтов: дождевые капли благодаря поверх­ностному натяжению упруги и обладают относительно большой кинетической энергией и разрушительной силой.

Вода как хорошо смачивающая жидкость обладает, кроме того, способностью подниматься в порах и капиллярах почвы и расте­ний.

Поверхностное натяжение играет роль и в процессах волнооб­разования на поверхности воды, обмена теплотой и веществом между водой и атмосферой. На величину поверхностного натяжения не­редко сильно влияет загрязнение вод, например нефтяная пленка.

Оптические свойства воды.

Свет от поверхности воды частич­но отражается, на границе раздела воздух – вода преломляется, а в толще воды рассеивается и поглощается и в результате этого ослабляется.

Отношение энергии отраженного от поверхности раздела воз­дух – вода света к энергии падающего света (альбедо) зависит от освещенности (ясно или облачно), состояния водной поверхности (гладкая или с волнами) и составляет 4–11 % от величины пада­ющего света. Альбедо уменьшается с увеличением волнения и об­лачности.

Коэффициент преломления света (отношение угла падения све­тового луча к углу преломления) на границе раздела воздух – вода равен в среднем 1,33–1,34. Он несколько уменьшается с повыше­нием температуры и возрастает с увеличением солености воды.

Наиболее важны закономерности распространения света в воде. Вода пропускает видимую часть электромагнитного спектра с дли­нами волн от 0,38 до 0,77 мкм лучше, чем более коротко- и длин­новолновую части спектра.

Свет распространяется в воде на небольшие расстояния.

В чистой воде на глубине 1 м интенсивность света составляет лишь 90 % интенсивности света на поверхности, на глубине 2м – 81 %, на глубине 3 м – 73 %, а на глубине 100 м сохраняется лишь около 1 % интенсивности света на поверхности.

Главная роль в ослаблении света в воде принадлежит поглоще­нию. Доля рассеяния имеет максимум при длинах волн 0,42–0,44 мкм (16 % в чистой пресной и 21 % в чистой морской воде) и быстро уменьшается с уменьшением и увеличением длины вол­ны.

Солнечный свет, таким образом, может проникать в водоемы лишь на небольшую глубину (несколько десятков метров); именно здесь и могут протекать процессы фотосинтеза.

Акустические свойства воды.

Вода хорошо проводит звук. В толще воды звук может при некоторых условиях распространяться на огромные расстояния и с большой скоростью.

Электропроводность воды.

Химически чистая вода – плохой про­водник электричества. Удельная электропроводность такой воды при 18 °С равна 3,8·10^-6 (Ом-м)¹.

На электропроводность воды влияет не только ее минерализа­ция, но и химический состав. Оказалось, что воздействие на элек­тропроводность разных ионов солей, растворенных в воде, различ­но, и поэтому изменение солевого состава воды влечет за собой изменение ее электропроводности даже при неизменной общей минерализации (солености). Например, ионы С1~ и К⁺ влияют на электропроводность воды значительно сильнее, чем ионы SO₄^2-, Са²⁺, Mg²⁺ и Na⁺.