1.2.4. Теплові властивості води

Теплові процеси в гідросфері мають важливе значення. Це невід’ємна складова загальних гідрологічних процесів, що сама впливає на них, а також на клімат, природні системи, екосистеми. Прикладами можуть служити: течії в океанах, перемішування вод, розвиток снігового та льодового покриву, льодовиків, живлення річок талими водами та інше. Теплові процеси вивчає розділ гідрофізики — гідротерміка.

До основних теплових властивостей води можна віднести теплоємкість, теплопровідність, теплоту фазових переходів та інші.

Теплоємкість — це кількість тепла, яку необхідно надати певному тілу для того, щоб нагріти його на 1°С:

(1.12)

де — кількість теплової енергії; — температура (інтервал) на яку нагріто тіло. Теплоємність залежить від маси тіла та речовини з якої воно складається. Теплова енергія може бути отримана з інших видів енергії.

Для порівняння теплових властивостей різних речовин вводять показник питомої теплоємності (на одиницю маси):

(1.13)

Вода є еталоном питомої теплоємності (с_води = 1 = 4,19 · · 10³ Дж/кг • град при нагріванні в інтервалі 19,5° - 20,5°С). Це дуже високий показник. Вищу питому теплоємність мають лише аміак та водень . Для ґрунтів та порід питома теплоємність складає приблизно . Цей показник є важливою аномалією фізичних властивостей води. Водні об’єкти — природні акумулятори тепла і регулятори змін температур. Вони сприймають, перетворюють і розповсюджують перетворену сонячну енергію, пом’якшують клімат. Особливо це відноситься до Світового океану, який значною мірою визначає клімат планети.

Зі збільшенням вмісту солей у воді її питома теплоємність слабко зменшується. Це також відбувається при збільшенні тиску. Питома теплоємність чистого льоду майже вдвічі менша ніж у води, а свіжого сухого снігу — у сім раз. Найбільша питома теплоємність спостерігається при 3,6°С, а найменша приблизно при 37°С.

Якщо теплоємність є показником накопичення тепла, то показником його передачі є теплопровідність. Молекулярна теплопровідність води надзвичайно мала. Тобто цей шлях передачі тепла у воді неефективний. Цей процес у загальному випадку залежить від різниці температур та від речовини тіла. Для того, щоб характеризувати його кількісно і порівнювати для різних матеріалів користуються поняттям коефіцієнта теплопровідності:

(1.14)

де Q — передана кількість тепла (кал, Дж); — час передачі тепла (с); F — площа перетину, нормального до загального напрямку передачі тепла (см², м²); — градієнт температур в районі перетину . Для хімічно чистої води складає . Для щільного льоду

Крім цього застосовують коефіцієнт температуропровідності:

(1.15)

де с — питома теплоємність, — густина.

Зі зменшенням температури та тиску і збільшенням солоності теплопровідність води повільно зменшується. Це також стосується снігу та льоду при пониженні температур. Їх мала молекулярна теплопровідність запобігає переохолодженню ґрунтів та внутрішніх частин водойм. Більш ефективним процесом передачі тепла в рідкій та газоподібній фазі є турбулентне перемішування.

Зі зменшенням температури та тиску і збільшенням солоності теплопровідність води повільно зменшується. Це також стосується снігу та льоду при пониженні температур. Їх мала молекулярна теплопровідність запобігає переохолодженню ґрунтів та внутрішніх частин водойм. Більш ефективним процесом передачі тепла в рідкій та газоподібній фазі є турбулентне перемішування.

Надзвичайно важливою для природних процесів характеристикою води є теплота фазових переходів. Питома теплота пароутворення (випаровування) — ц е

к і л ь к і с т ь т е п л а , щ о н е о б х і д н а д л я п е р е т в о р е н н я о д и н и ц і м а с и р і д к о ї в о д и в

п а р у п р и н о р м а л ь н о м у т и с к у і з а д а н і й т е м п е р а т у р і . П р и т е м п е р а т у р і 0°С . Якщо враховувати залежність від температури, то:

(1.16)

При конденсації така ж кількість тепла виділяється. Теплота пароутворення витрачається на два види роботи:

1) робота, що виконується при руйнуванні міжмолекулярних (водневих) зв’язків в середині даного об’єму води і проходженні плівки поверхневого натягу — внутрішня (захована) теплота пароутворення (L₁);

2) робота пов’язана зі збільшенням об’єму води, тобто проти сил зовнішнього тиску (L₂).

(1.17)

Їх співвідношення при 10°С таке: L₁ = 95%; L₂ = 5%.

Питома теплота плавлення льоду складає . Стільки ж тепла виділяється при замерзанні (кристалізації) води.

Питома теплота возгонки

(1.18)

Для визначення загальної кількості тепла (енергії) що бере участь у фазових переходах води використовують наступні формули:

(1.19)

(1.20)

(1.21)

де m — маса води (льоду), що приймає участь у процесі.

При відсутності теплової регуляції гідросфери біосфера не могла б існувати.