Полная версия

Главная arrow Экология arrow ОКЕАНОЛОГИЯ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Аномальные физические свойства чистой воды

Особенности структуры воды определяют особенности ее физических свойств, имеющих «аномальный» характер по сравнению с родственными веществами - гидридами элементов VI группы (серы, селена, теллура) или прочими жидкостями, имеющими сферически симметричные молекулы. Большинство аномальных свойств воды проявляется при низких температурах и давлениях, характерных как раз для природных условий гидросферы Земли. При этом сами аномальные свойства сильно зависят от температуры и давления.

Рассмотрим вначале одно из важнейших свойств - температуру фазовых переходов.

Точки плавления водородных соединений элементов VI группы понижаются с уменьшением молекулярного веса от Н2Те (- 60° С) к H2Se и H2S (-85° С). Экстраполируя этот ряд, можно получить температуру плавления Н20, равную около -95° С (рис. 1.3). Таким образом, положительная аномалия температуры замерзания составляет почти 100° С!

Еще более значительна аномалия температуры кипения воды: продолжая ряд свойств гидридов, можно получить экстраполированную величину около -65° С, т. е. на 165° С ниже существующей. Такие особенности фазовых переходов, видимо, определяются большими дипольными моментами и наличием водородных связей между молекулами воды: необходимостью дополнительных затрат тепловой энергии для преодоления электромагнитных взаимодействий молекул при плавлении или испарении.

Плотность жидкостей, как правило, при нагревании уменьшается. Для пресной воды при повышении температуры от 0° до 4° С плотность увеличивается, а при дальнейшем нагревании уменьшается. Это, по-видимому, объясняется перегруппировкой молекул в данном интервале температур: происходит заполнение пустот «рыхлой» тетраэдрической структуры. По мере увеличения теплового движения молекул при температуре выше 4° С увеличивается количество бесструктурных объемов, а плотность начинает понижаться.

Изменения температур плавления и кипения гидридов элементов VI группы в зависимости от молекулярной массы

Рис. 1.3. Изменения температур плавления и кипения гидридов элементов VI группы в зависимости от молекулярной массы

Твердые тела, как правило, имеют большую плотность, чем жидкости, получающиеся при их плавлении. Вода, наряду с чугуном и висмутом, увеличивает свой объем при замерзании почти на 10%. На рис. 1.4 представлено изменение объема 1000 кг воды в твердой и жидкой фазах при изменении температуры от -40° до 100° С. Замерзание воды, как следует из рисунка, увеличивает ее объем вдвое больше, чем нагревание до 100° С. При этом объем единицы массы (величина обратная плотности) у льда увеличивается линейно с ростом температуры, а в жидкой воде эта зависимость нелинейная и рост объема начинается только в диапазоне температур выше 4° С.

Удельная теплоемкость воды при нагревании от 0° до 27° С, в отличие от большинства веществ, уменьшается на 1% и лишь при более высокой температуре начинает возрастать. Разрушение структуры молекул Н20 при невысоких температурах сопровождается высвобождением энергии связи в кристаллической решетке, а эта энергия тратится на дополнительное повышение температуры воды. Вообще же удельная теплоемкость воды - одна из самых высоких для всех веществ, она вдвое превосходит теплоемкости пара и льда. Согласно модели Самойлова, такая аномалия объясняется переходом молекул из каркаса в полости, что требует значительной затраты энергии. Этот эффект может качественно объяснить и другие аномальные теплофизические свойства воды, например высокую теплоту плавления льда. Молекулярная теплопроводность воды также оказывается наиболее высокой среди всех жидкостей, причем обусловлена она легкостью передвижения связанных менее жестко полостных молекул.

Объем 1000 кг льда и воды при атмосферном давлении

Рис. 1.4. Объем 1000 кг льда и воды при атмосферном давлении

Высокое значение теплоты парообразования объясняется энергией, необходимой для разрыва водородных связей между молекулами при переходе в пар. Интересно, что среднее число водородных связей, приходящихся на одну молекулу, при росте температуры от 0° до 100° С падает менее чем на 50%, и даже при 100° С вода остается хорошо структурированной.

Производная молярного объема воды по давлению дает коэффициент сжимаемости, который аномально низок у воды. Возрастание давления на воду приводит к заполнению имеющихся пустот. Если обычно в жидкостях с плотной упаковкой молекул повышение давления упорядочивает их расположение, то в воде повышение давления (до определенных пределов) разрушает структуру.

В нормальных жидкостях с ростом давления уменьшается подвижность молекул и возрастает вязкость. В воде же при температурах ниже 20° С вязкость уменьшается с ростом давления. Основную роль при этом играют те 10-20% молекул, которые находятся в полостях и обеспечивают основной вклад в кинетические свойства воды.

Вода обладает также наиболее высоким среди жидкостей (за исключением ртути) поверхностным натяжением, это свойство определяет особенности формирования поверхностного микрослоя в природных водоемах и протекание многих биологических процессов.

Несмотря на наличие у молекул Н20 дипольного момента, их взаимная связь в твердой и жидкой фазе приводит к тому, что под воздействием внешнего переменного электрического поля полной переориентации диполей не происходит. Поэтому у воды очень высок коэффициент диэлектрической проницаемости, показывающий отношение электрической индукции к напряженности электрического поля. Два электрических заряда в воде взаимодействуют в 80-88 раз слабее, чем в вакууме.

С особенностями проявления аномальных свойств природной морской воды, а также со значениями ее термодинамических параметров мы познакомимся в последующих главах. Ряд характеристик (гидрооптические, акустические, свойства льдов) рассматриваются в других разделах курса «Океанология».

В заключение этого параграфа приведем с небольшими сокращениями таблицу (табл. 1.1) описанных нами аномальных свойств морской воды и их роли в физических и биологических явлениях.

Свойства

Сравнение с другими веществами

Роль в физических и биологических явлениях

Тсплосм-

Наиболее высокая среди

Уменьшает пределы темпера-

кость

всех твердых и жидких веществ, за исключением NH3

турных колебаний; перенос тепла течениями очень велик; способствует сохранению постоянной температуры тела.

Скрытая

Наиболее высокая из всех

Тсрмостатирующий эффект в

теплота

веществ, за исключением

точке замерзания, обусловлен-

плавления

NH3

ный поглощением или выделением скрытой теплоты.

Скрытая

Наиболее высокая из всех

Высокое значение скрытой

теплота испарения

веществ

теплоты испарения крайне важно для теплового и водного переноса в атмосфере.

Тепловое

Температура максимальной

Для чистой и разбавленной

расширение

плотности уменьшается с повышением солености; для чистой воды она равна 4° С

морской воды максимум плотности наблюдается при более высокой температуре, чем температура замерзания; это свойство играет важную роль в регулировании распределения температуры и в вертикальной зональности озер.

Поверхносг-

Наиболее высокое из всех

Важно для физиологии клетки,

ное натяжение

жидкостей

определяет некоторые поверхностные явления, образование и свойства капли.

Растворяю-

Как правило, растворяет

Явно связывает между собой

щая способ-

большинство веществ и в

физические и биологические

ность

ббльших количествах, чем другие жидкости

явления.

Диэлектри-

Для чистой воды наиболее

Имеет наибольшее значение

ческая постоянная

высокая из всех жидкостей

для поведения неорганических растворенных веществ, так как определяет их диссоциацию.

Теплопро-

Наиболее высокая из всех

Основную роль играет в про-

водность

жидкостей

цессах малого масштаба, например в тех, которые происходят в живых клетках; для молекулярных процессов оказывается гораздо важнее, чем турбулентный перенос тепла.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>