1.2.3. Густина води

Г у с т и н о ю р е ч о в и н и н а з и в а ю т ь в і д н о ш е н н я м а с и р е ч о в и н и д о ї ї о б ’є м у :

(1.6)

Для чистої води при 4°С Це еталон густини. При інших температурах густина води зменшується. При нижчих — зростає роль тетраедричних структур, які, до певної міри, “розрихлюють упаковку” води. Вони переважають у льоді (його густина складає 0,917 г/см³). Тому ще однією важливою аномалією фізичних властивостей води є те, що при плавленні твердої фази густина не падає (і, тим більше, не стрибкоподібно), а наростає. Вільні від кристалічних зв’язків молекули частково створюють більш щільну упаковку. таким чином лід плаває у рідкій воді. Завдяки цьому при пониженні температур атмосферного повітря водойми перемерзають не до дна, а тільки біля поверхні. Утворюється льодовий покрив, який, завдяки малій теплопровідності, захищає іншу частину водойми.

Густина води збільшується також при збільшенні мінералізації (солоності). Це пов’язано з тим, що питома вага домішок більша ніж води, а також з тим, що вони зменшують вплив рихлих надмолекулярних структур. Спільний вплив температури та солоності на густину води в умовах нормального атмосферного тиску виражають за допомогою рівняння стану морської води. Його спрощений вигляд такий:

(1.7)

де — густота води при t^o = 0 та S = 0, t^o — температура (°С), S — солоність (‰), та — параметри. Нагадаємо, що за графіком Хелланд-Хансена (див. 1.2.2) при змінах цих характеристик змінюється температура найбільшої густини та замерзання.

Фізичні особливості солоних вод впливають на характер розвитку в них практично всіх гідрологічних процесів.

Величиною оберненою до густини є питомий об’єм.

(1.8)

Цю величину використовують, зокрема, при розгляді стискаємості води. Останню в кількісному відношенні виражають через відповідний коефіцієнт (коефіцієнт об’ємної стискаємості):

(1.9)

де — об’єм, — тиск, — густина. Знак мінус показує, що збільшенню тиску відповідає зменшення об’єму.

Величина, зворотна до коефіцієнту об’ємної стискаємості, називається модулем об’ємної пружності:

(1.10)

При нормальних умовах Пружність води збільшується при підвищенні температури, тиску та солоності.

Зміни густини води, відповідно до рівняння стану (1.7), залежать не тільки від тиску, але і від температури та солоності. Для характеристики впливу цих факторів використовують також відповідні коефіцієнти — соленосного стиснення та теплового розширення. Найбільше використовують останній:

(1.11)

Якщо під дією якихось факторів відбувається стиснення, або розширення об’єму води, то воно супроводжується змінами температури, що пропорційні даному коефіцієнту. Ці явища спостерігаються при опусканні та підніманні води (наприклад в океані). Нагадаємо, що у фізиці такі процеси називають адіабатичними, тобто такими коли притоком та віддачею тепла можна знехтувати (гр. adiabatos — непрохідний). В них речовина (об’єм) змінює свою внутрішню енергію або витрачаючи її проти зовнішніх сил тиску (температура зменшується), або отримуючи за рахунок стискання ними (температура підвищується). Вплив таких змін в океанах і морях враховують за допомогою адіабатичного градієнту температури. Температура, яку набуває вода, при підйомі з глибини на поверхню, називається потенційною. (Відповідна густина — також потенційна). Цю величину практично використовують в океанологічних дослідженнях. Наприклад, у випадку придонної течії над нерівною поверхнею реальна температура води змінюється, але потенційна залишається однаковою. Її розрахунок та аналіз дає можливість ідентифікувати (розпізнавати) воду, що рухається по змінних глибинах (з вертикальними складовими швидкості).

Процеси змін густини води (в залежності від діючих факторів) важливі для формування стійкості та переміщування шарів по вертикалі (наприклад див. 1.2.20).