Агрегатные состояния воды и фазовые переходы

Агрегатные состояния воды и фазовые переходы часто изображаются диаграммой состояния воды (фазовой диаграммой). В ней по оси абсцисс откладывается температура, а по оси ординат – давление. Диагрмма представляет собой три кривые:

1. Кривая ледообразования: в одну сторону таяние (плавление), в другую – ледообразование (кристаллизация).

2. Кривая кипения (парообразования): в одну сторону кипение (парообразование), в другую – конденсация.

3. Кривая сублимации: в одну сторону возгонка (переход из твердого состояния в газообразное), в другую – сублимация (переход из газообразного состояния в твердое).

Удельная теплота фазовых переходов воды очень велика.

Плотность воды. Ее зависимость от температуры, солености, давления

Плотность вычисляется по формуле:

Она измеряется в кг/м³. Плотность воды является функцией температуры, солености, давления, коллоидных взвесей). Прирост плотности с увеличением давления невелик (на 11 км Марианского желоба – 4-5 кг/м³), гораздо важнее изменения температуры и солености. Плотность льда меньше плотности воды, т.к. его молекулярная структура более рыхлая.

При температуре меньшей 0°С с увеличением температуры плотность падает и составляет в среднем 920 кг/м³. В точке плавления она становится равной 999,8 кг/м³ и продолжает расти до 1000 кг/м³ (при температуре 4°С). При последующем увеличении температуры плотность падает. Влияние солености на плотность также очень велико. Плотность морской воды может достигать 1025-1033 кг/м³.

Тепловые свойства воды. Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности от солености.

Тепловые свойства воды:

1. температура

2. температура замерзания

3. температура кипения

4. температура наибольшей плотности

5. удельная теплота плавления

6. удельная теплота кипения

Зависимость температуры замерзания и температуры наибольшей плотности являются различными функциями солености. Эти зависимости иллюстрируются графиком Хелланд-Хандсена. При солености равной 24,7 0,1% и температура замерзания, и температура наибольшей плотности равны –1,33 °С. Из графика видно, что морская вода замерзает при температуре меньшей 0°С.

В водоемах происходит вертикальная плотностная конвекция (перемешивание): верхний слой воды охлаждается осенью от воздуха, его плотность увеличивается и он опускается. Такое охлаждение происходит до температуры 4°С, потом перемешивание прекращается и подо льдом оказывается сравнительно теплая вода. Это имеет большое значение для сохранения жизни в водоемах.

Физические аномалии воды и их гидрологическое значение

Физические аномалии и характерные свойства воды и их гидрологическое значение:

1. Высокая по сравнению с другими веществами температура плавления, поэтому вода на Земле может находиться в твердом состоянии.

2. Сравнительно высокая температура плавления, поэтому вода на Земле может находиться в жидком виде.

3. Плотность льда значительно меньше плотности воды, благодаря этому при замерзании водоема лед экранирует его от дальнейшего охлаждения (лед обладает небольшой теплоемкостью).

4. При температуре от 0 до 4°С с увеличением температуры плотность также увеличивается, поэтому при охлаждении поверхностного слоя до 4°С опускание слоев прекращается.

5. Удельная теплота ледообразования очень велика, поэтому процесс ледообразования идет замедленно.

6. Удельная теплота парообразования очень велика, поэтому процесс парообразования идет замедленно.

7. Удельная теплоемкость очень велика, поэтому вода медленно нагревается и медленно охлаждается.

8. Теплопроводность достаточно мала.

9. Вязкость достаточно мала, поэтому вода является очень текучим веществом, она способна переносить различные объекты.

10. Поверхностное натяжение достаточно велико, поэтому образуется мельниск – капиллярные силы, благодаря которому растения способны брать воду из Земли, капли воды обладают большой ударной силой.

Лекция №4 (6.09)

Физические основы процессов в гидросфере.

Использование фундаментальных законов физики при изучении водных объектов. Метод водного баланса. Универсальное уравнение водного баланса. Метод теплового баланса в гидрологии. Универсальное уравнение теплового баланса. Классификация видов движения воды (водных объектов) по изменчивости. Турбулентный и ламинарный режимы движения воды. Число Рейнольдса. Физические силы, действующие в водных потоках.

Использование фундаментальных законов физики (законы сохранения вещества, сохранения тепловой энергии, 2-й закон механики) при изучении водных объектов.

Закон сохранения вещества (закон Ломоносова – Лавуазье): материя не возникает из ничего и не возникает бесследно, а только переходит из одного вида в другой:

m⁺ - m^- = ± Dm

Из закона сохранения вещества следуют водный баланс, баланс наносов, баланс солей.

Закон сохранения тепловой энергии: тепловая энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно:

Q⁺ - Q^- = ± DQ

Величина DQ называется изменением теплосодержания объекта. Если DQ > 0, то происходит нагревание объекта, если DQ < 0 – остывание.

DQ = mc_pDT,

где с_р – удельная теплоемкость воды.

2-й закон механики: изменение импульса (количества движения) объекта равно сумме сил, действующих на него:

Этот закон называется также законом изменения импульса, 2-м законом Ньютона, уравнением движения, уравнением баланса.

Метод водного баланса в гидрологии. Универсальное уравнение водного баланса.

Для вывода уравнения водного баланса, являющегося частным случаем закона сохранения вещества, следует учитывать следующие параметры: время (сутки, декада, месяц, сезон, год); объем (вместо массы в уравнении состояния вещества), единицы слоя.

Уравнение водного баланса для объема выглядит так (все компоненты выражены в единицах объема):

X + Y₁⁺ + W₁⁺ = Z + W₂^- + Y₂^- ± Du,

где Х – атмосферные осадки, Y₁ – поверхностный приток, Y₂ – поверхностный отток, W₁ – приток подземных вод, W₂ – отток подземных вод, Z – испарение, DU – изменение количества воды в пределах контура.

Метод водного баланса заключается в:

1. составлении уравнения водного баланса

2. анализе его составляющих

3. определении неизвестных компонентов по известным.

Метод теплового баланса в гидрологии. Универсальное уравнение теплового баланса.

Запишем уравнение теплового баланса, в левой части которого стоит приход, а в правой – расход тепла:

R + Q⁺_атм + Q⁺_грунт + Q⁺_y + Q⁺_w + Q_зам + Q_кин + Q_конд = Q^-_атм + Q^-_грунт + Q^-_w + Q_исп + Q_пл ± DQ

Метод теплового баланса заключается в:

1. составлении уравнения теплового баланса

2. анализе уравнения и его компонентов

3. определении неизвестных компонентов по известным

Классификация видов движения воды (водных объектов) по изменчивости. Турбулентный и ламинарный режимы движения воды. Число Рейнольдса.

Скорость реки переменна по сечению. Линии, соединяющие места с одинаковыми скоростями называются изотахами. Ихотахи по своей форме примерно повторяют очертания русла.

Пусть u = f (x,y,z,t) – средняя скорость движения в любой точке, v = j (x,t) – скорость течения всего водного потока. Тогда:

Водные потоки делятся исходя из типов движения воды на стационарные (dv/dt = 0) и нестационарные (dv/dt ¹ 0). dv/dt есть изменение скорости потока во времени. Стационарные водные потоки делятся на равномерные (dv/dx = 0) и неравномерные (dv/dх ¹ 0). Величина dt/dx характеризует постоянство скорости вдоль потока (ускорение).

Существует два гидродинамических режима движения воды: ламинарный и турбулентный. В ламинарном режиме частицы воды движутся по параллельным траекториям, в турбулентном их движение имеет хаотический характер.

Гидродинамический режим потока характеризуется числом Рейнольдса (R_e):

,

где h – глубина водоема, n - кинематический коэффициент вязкости. При температуре »15°С n = 1×10^-6 м²/с.

Если R_e < 300, то поток является ламинарным, если R_e > 3000 турбулентным, 300 < R_e < 3000 является критическим. Оно соответствует переходному гидродинамическому режиму потока. Эти границы даны приближенно, они зависят от типа водоема.

Физические силы, действующие в водных потоках

Согласно второму закону механики:

Силы, действующие в водных потоках:

1. Массовые (объемные) – действуют в целом на массу или объем воды:

• сила тяжести F_g = mg, в том числе ее продольная составляющая: F_g¢ = F_g×sina, где a - уклон водной поверхности

• центробежная сила F_ц = m×a_ц = mv²/r, где r – радиус изгиба.

• сила Кориолиса – отклоняющая сила вращения Земли, действующая вправо в северном полушарии и влево в южном: F_к = m×a_к = 2v×m×w×sin j, где j - географическая широта, w - угловая скорость вращения Земли.

2. Поверхностные силы

• нормальные – действуют по нормали: давление P = pS, где р – удельное давление

• касательные - поверхностное трение T = tS, где t - удельное трение или касательное напряжение, оно вычисляется по формуле: t = rlv², где l - коэффициент трения.

Лекция №5

Круговорот воды на земном шаре. Понятие о водных ресурсах. Происхождение и типы ледников. Их образование и строение. Движение и режим ледников. Роль ледников в питании рек. Хозяйственное значение ледников. Происхождение подземных вод. Виды воды в порах грунта. Водные свойства грунтов. Классификация подземных вод по характеру залегания. Воды зоны аэрации и зоны насыщения. Напорный и безнапорный подъем воды. Движение подземных вод. Закон фильтрации Дарси. Режим грунтовых вод. Хозяйственное значение и охрана подземных вод.

Круговорот воды на земном шаре. Понятие о водных ресурсах.

Круговорот воды на земле состоит из двух основных звеньев: океанического и материкового. Уравнение водного баланса, описывающее круговорот воды над океаном выглядит так: x_ок (458) + w (2) + y (45) = z_ок (505), для материкового звена, состоящего из переферийной и внутренней зон: x_с (110)= y (45) + w (2) + z_c (63). Все цифры даны в тыс. км³/год.

Круговорот воды основан на законе сохранения вещества, солнечной энергии, энергии силы тяжести.

Водные ресурсы – природные воды Земли, которые используются человеком в настоящее время и могут быть использованы в обозримой перспективе.

К водным ресурсам не относятся воды глубоких частей океана (верхние слои используются для навигации), ледники центра Антарктиды. Существует более узкое понятие, в соответствии с которым к водным ресурсам относятся только пресные воды.

Пресные воды как водные ресурсы делятся на:

• статические (вековые) водные ресурсы – воды пресных озер и подземных горизонтов (измеряются в км³)

• возобновляемые водные ресурсы (измеряются в единицах расхода – км³/год).

Отличие водных ресурсов от других видов ресурсов:

• воду нельзя ничем заменить

• вода почти никогда не исчезает, а лишь меняет фазовые состояния

• вода трансгранична.

ГИДРОЛОГИЯ ЛЕДНИКОВ

Происхождение и типы ледников. Образование и строение ледников

Ледник – естественное скопление фирна и льда, образовавшееся в результате накопления и трансформации твердых атмосферных осадков.

Плотность свежевыпавшего снега – 10 кг/м³, старого снега (в наших широтах перед таянием) – 400 кг/м³, плотность зернистого снега (нестаявшего снега – в горах, высоких широтах) – 600 кг/м³, зернистого льда (фирна) – 700-800 кг/м³, чистого льда – 900-920 кг/м³.

Снеговой баланс (разница между выпавшим снегом и стаявшим) в горах отрицателен внизу и положителен вверху. Линия, на которой снеговой баланс равен нулю, называется климатической снеговой линией. В южном полушарии климатическая снеговая линия проходит ниже, чем в северном. Выше всего она проходит в тропиках и субтропиках, где выпадает меньше всего осадков.

В районе, где снеговой баланс положителен, выпавший зимой снег не успевает растаять и идет накопление: образуется ледник. Основные факторы, благоприятствующие образованию ледника:

1. большое количество атмосферных осадков

2. длительный период с отрицательными температурами

3. плоские или вогнутые формы рельефа

Два основных типа ледников: покровные (Антарктида, Гренландия, Арктические о-ва) и горные: а) ледники вершин и склонов, б) ледники долин (долинные).

Ледник представляет собой расположенные ступенчато слои снега, фирна и льда. Выступающая вперед часть нижнего слоя (лед) называется языком. Ледник переносит с собой морену: боковую и конечную. Морена также делится на поверхностную и придонную. На ледниках часто встречаются трещины.

“Разгрузка” области положительного теплового баланса осуществляется 4-мя механизмами (два первые – малозначимы):

1. испарение

2. таяние

3. лавинная деятельность

4. сползание ледника ниже климатической снеговой линии

Движение и режим ледников. Роль ледников в питании рек.

Хозяйственное значение ледников.

Скорость движения ледника определяется формулой:

,

где h – толщина ледника, I – уровень поверхностного льда, n - коэффициент скорости, остальное – постоянные величины.

Ледник заметно воздействует на сток и режим рек. В умеренном поясе особенно заметно его влияние на половодье.

Хозяйственное значение ледников:

• питание рек - использование талых вод для орошения

• гидроэнергетика

Происхождение подземных вод. Виды воды в недрах Земли. Водные свойства грунтов.

Подземные воды – воды, находящиеся в верхнем слое земной коры и участвующие в круговороте воды на земном шаре.

Происхождение подземных вод:

1. ювенильная вода (из магмы) » 1 км³/год.

2. конденсация в недрах грунта – также очень маленькая часть

3. инфильтарция (проникновение сверху) – преобладает

Виды вод, находящихся в недрах грунта:

1. гигроскопичесие (отдельные частицы воды, образовавшиеся вокруг частиц грунта)

2. пленочные (пленка воды вокруг частиц грунта)

3. капиллярные (содержатся в маленьких каналах – капиллярах)

4. свободные гравитационные (стекают через поры под уклоном)

5. водяной пар, лед

Два первых вида практические не участвуют в круговороте воды на земном шаре.

Водные свойства грунтов:

1. плотность грунта

2. плотность частиц грунта (больше плотности грунта, т.к. грунт содержит поры)

3. пористость (равна отношению объема пор к объему грунта, выраженному в процентах)

4. влажность грунта

5. водопроницаемость грунта

По водопроницаемости грунты делятся на водоупоры (практически непроницаемы, например глины), слабоводопроницаемые и грунты с полным насыщением (например, песок, галька, гравий).

ГИДРОЛОГИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Классификация подземных вод по характеру залегания. Воды зоны аэрации и зоны насыщения. Напорные и безнапорные подземные воды.

По характеру залегания подземные воды выделяют следующие виды подземных вод (сверху вниз): почвенные воды, верховодка – временные сезонные скопления подземных вод, капиллярная зона или кайма (эти три типа относятся к зоне аэрации), далее располагается уровень грунтовых вод (зеркало) и зона насыщения. В зоне насыщения поры всегда заполнены водой, в зоне аэрации – только после дождя.

Воды зоны насыщения делятся на напорные (артезианские) и безнапорные (грунтовые).

Грунтовые воды – подземные воды первого от поверхности постоянно существующего водоносного горизонта, залегающего на первом водоупорном пласте.

Артезианские воды – напорные подземные воды, залегающие в водоносных горизонтах между водоупорными пластами.

Движение подземных вод. Закон фильтрации Дарси

Фильтрация – движение свободной (гравитационной) воды по порам и трещинам в сторону уклона поверхности водоносного горизонта или уменьшения напора под действием силы тяжести и гидростатического давления.

Закон фильтрации Дарси записывается так:

,

где v_ф – скорость фильтрации, К_ф – коэффициент фильтрации, I = sina - уклон.

В глине коэффициент фильтрации меньше 1/1000 м/сут, в песке – от 1 до 50, в гравие – от 100 до 150, в гальке – от 100 до 200.

Режим грунтовых вод. Хозяйственное значение и охрана подземных вод.

Режим грунтовых вод – пространственная и временная изменчивость всех характеристик состояния грунтовых вод: уровня, минерализации, температуры и др.

Годовой режим грунтовых вод очень близок режиму поверхностных.

За счет подземных вод питаются многие города (Москва – на 30% 0 за счет Мытищинского артезианского бассейна и др.). Подземные воды также используются для орошения.

Лекция №6 (27.10)

Гидрология рек

Река – водоток значительных размеров, питающийся атмосферными осадками со всего водосбора и имеющий четко выраженное самим потоком русло.

Обычно к рекам относят постоянные и относительно крупные водотоки с площадью бассейна не менее 50 км^2. Водотоки меньшего размера называются ручьями. Таким образом, к рекам не относятся временные водотоки; водотоки, не имеющие водосбора (например, сформированные приливами реки приморских районов); каналы.

Речной сток – процесс стекания воды с водосборов вместе с содержащимися в ней веществами и теплом.

В реках содержится всего 0,0002% объема вод гидросферы, но, несмотря на это, речной сток является важнейшим элемент материкового звена глобального круговорота воды и веществ и, следовательно, играет большую роль в круговороте вещества и энергии на Земле. Это объясняется очень небольшим периодом условного возобновления запасов воды. Реки – важный элемент ландшафта, заметно влияющий на его структуру.