1.4. Фізичні основи гідрологічних процесів

Гідрологічні процеси протікають у відповідності з фундаментальними законами фізики, тому гідрологія широко використовує сформульовані у класичній фізиці закони збереження речовин, теплової та механічної енергії, кількості руху.

Фундаментальні закони фізики та їх використання при вивченні водних об’єктів.

Закон збереження речовини– незмінність маси в замкненій (ізольованій) системі. Стосовно відкритих природних систем, якими є водні об’єкти, закон збереження речовини визначає рівновагу між прибутком, витратою речовини і зміною його маси в межах водного об’єкта. Це відноситься не тільки до води, а й до наносів, солей, газів та ін. речовин, що знаходяться у воді.

Кількісним висловленням закону збереження речовини для водних об’єктів є рівняння балансу води, наносів і розчинених речовин (газів, солі), яке можна записати у такому вигляді: ∆ m = m⁺– m^-,

де m⁺– маса речовини, що надходить до даного об’єкта зовні й утворюється з інших речовин у межах об’єкта;

m^-– маса речовини, що вилучається за межі об’єкта і витрачається при перетворенні її на інші речовини в межах об’єкта;

∆ m – зміна протягом часу Дt маси речовини в межах об’єкта. Одиницею виміру членів рівняння є одиниця маси (кг).

Закон збереження теплової енергіїхарактеризує незмінність енергії у замкненій (ізольованій) системі з урахуванням можливого переходу одного виду енергії в інший. Закон збереження теплової енергії визначає умови балансу притоку і витрат тепла та зміни тепловмісту водного об’єкта.

Кількісним висловленням закону збереження теплової енергії стосовно до водного об’єкта чи замкненого контуру суходолу є рівняння теплового балансу:

∆ Ө = Ө⁺– Ө^-,

де Ө⁺– тепло, що надходить до даного об’єкта зовні і виділяється в межах об’єкта при переході частини механічної енергії у теплову, а також під час льодоутворення, конденсації водяної пари, розкладанні деяких речовин;

Ө^-– теплота, що виходить за межі об’єкта і витрачається в межах об’єкта на випаровування води, плавлення льоду, хімічні та біологічні процеси;

∆ Ө – зміна в часі Д t вмісту теплоти в об’єкті, що дорівнює mc_p ∆ T, де m – маса об’єкта, c_p– питома теплоємність, ∆ T – зміна температури (∆Т=Т_кін– Т_поч). Одиниці виміру членів рівняння – одиниці тепла (Дж).

Закон збереження механічної енергіїозначає, що повна енергія якої-небудь механічної системи складається з потенціальної (Е_пот) та кінетичної (Е_кін) енергії і залишається завжди постійною з урахуванням енергії на тертя:

Е = Е_пот+ Е_кін+ Е_дис,

де Е_дис– дисипація енергії (перехід частини механічної енергії у теплову внаслідок тертя).

Закон збереження механічної енергії щодо водних об’єктів визначає характер переходу потенціальної енергії у кінетичну енергію водного потоку, що рухається. Одиниці виміру даного рівняння дорівнюють одиниці енергії (Дж).

Закон збереження кількості руху (імпульсу)– в межах замкненої (ізольованій) механічної системи кількість імпульсів залишається незмінною:

m ^dν/_dt= 0,

де m – маса системи, dν/dt – її прискорення.

Стосовно водних об’єктів цей закон трансформується в закон зміни кількості руху (імпульсу), котрий означає, що зміна кількості імпульсу відкритої системи дорівнює сумі усіх зовнішніх сил, які впливають на цю систему. Цей закон лежить в основі закономірностей динаміки вод в усіх водних об’єктах.

Кількісним висловленням цього закону є рівняння руху, яке можна записати у такому вигляді:

m dν/dt = ∑F,

де m – маса виділеного об’єму, dν/dt – зміна середньої швидкості цього об’єму, ∑F – сума діючих на цей об’єм зовнішніх об’ємних і поверхневих сил. Об’ємні сили впливають на весь об’єм води, поверхневі сили впливають лише на його межі. Одиниці виміру членів рівняння дорівнюють одиниці сили (Н, або кг·м/с²).