Некоторые другие физические свойства воды
Молекулярная вязкость воды (внутреннее трение). По сравнению с вязкостью других жидкостей вязкость воды невелика, что также относится к специфическим свойствам воды. Вязкость жидкости характеризуется кинематическим коэффициентом вязкости n, м2/с, и динамическим коэффициентом вязкости m, кг/(м с).
Между этими коэффициентами существует связь:
m = r n . (1.15)
Вязкость воды уменьшается с повышением ее температуры. Поэтому в холодное время года вязкость воды несколько больше, чем в теплое. Ниже приводятся значения кинематического коэффициента вязкости химически чистой воды при нормальном атмосферном давлений:
Т °с0 5 10 15 20 30 40 50
v, 10-6м2/с 1,78 1,52 1,31 1,14 1,01 0,81 0,66 0,55
Благодаря малой вязкости вода текуча, и даже небольшие по величине внешние силы приводят ее в движение. Вода способна переносить большие количества растворенных и взвешенных веществ, а также теплоты.
Увеличение минерализации несколько повышает вязкость воды: увеличение солености на 10‰приводит к возрастанию коэффициента вязкости приблизительно на 1,5%. С ростом давления вязкость воды уменьшается, а не повышается, как у других жидкостей.
Лед — твердое тело, обладающее пластичностью, которая позволяет ему в некоторых условиях, например в ледниках, двигаться. Считают, что кинематический коэффициент вязкости льда лежит в пределах 108—1011 м2/с.
Поверхностное натяжение и смачивание. У воды по сравнению с другими жидкостями очень высокое поверхностное натяжение. С ростом температуры поверхностное натяжение воды немного уменьшается. Коэффициент поверхностного натяжения воды изменяется от 75,6´10-3 Н/м при 0 °С до 60,8´10-3 Н/м при 90 °С. Лишь ртуть в жидком состоянии обладает более высоким поверхностным натяжением.
Необычайно высокое поверхностное натяжение воды способствует размыву почв и грунтов: дождевые капли благодаря поверхностному натяжению упруги и обладают относительно большой кинетической энергией и разрушительной силой.
Вода как хорошо смачивающая жидкость обладает, кроме того, способностью подниматься в порах и капиллярах почвы и растений.
Поверхностное натяжение играет роль и в процессах волнообразования на поверхности воды, обмена теплотой и веществом между водой и атмосферой. На величину поверхностного натяжения нередко сильно влияет загрязнение вод, например нефтяная пленка.
Оптические свойства воды. Свет от поверхности воды частично отражается, на границе раздела воздух-вода преломляется, а в толще воды рассеивается и поглощается и в результате этого ослабляется.
Отношение энергии отраженного от поверхности раздела воздух-вода света к энергии падающего света (альбедо) зависит от освещенности (ясно или облачно), состояния водной поверхности (гладкая или с волнами) и составляет 4—11% от величины падающего света. Альбедо уменьшается с увеличением волнения и облачности.
Коэффициент преломления света (отношение угла падения светового луча к углу преломления) на границе раздела воздух-вода равен в среднем 1,33—1,34. Он несколько уменьшается с повышением температуры и возрастает с увеличением солености воды.
Наиболее важны закономерности распространения света в воде. Вода пропускает видимую часть электромагнитного спектра с длинами волн от 0,38 до 0,77 мкм лучше, чем более коротко- и длинноволновую части спектра.
Свет распространяется в воде на небольшие расстояния. Интенсивностьсвета быстро затухает в воде по экспоненциальному закону:
I=I0 е-(k+m)h,(1.16)
где I и I0 - интенсивность света соответственно на глубине h и на поверхности; k — коэффициент рассеяния света; т — коэффициент поглощения света; k + т — коэффициент ослабления света; е — основание системы натуральных логарифмов.
В чистой воде на глубине 1 м интенсивность света составляет лишь90% интенсивности света на поверхности, на глубине 2 м — 81%,на глубине 3 м — 73%, а на глубине 100 м сохраняется лишь около1% интенсивности света на поверхности.
Главная роль в ослаблении света в воде принадлежит поглощению. Доля рассеяния имеет максимум при длинах волн 0,42— 0,44 мкм (16% в чистой пресной и 21% в чистой морской воде) быстро уменьшается с уменьшением и увеличением длины волны. Наличие растворенных и особенно взвешенных веществ резко увеличивает коэффициенты поглощения и рассеяния света в воде. Наибольшее проникновение света в воду и минимум коэффициента ослабления сдвигаются в сторону больших длин волн. При этом меняется и цвет воды — от синего к зеленому и желтовато-бурому.
Солнечный свет, таким образом, может проникать в водоемы лишь на небольшую глубину (несколько десятков метров); именно здесь и могут протекать процессы фотосинтеза.
Акустические свойства воды. Вода хорошо проводит звук. В толще воды звук может при некоторых условиях распространяться на огромные расстояния и с большой скоростью.
Скорость распространения звука в воде равна 1400—1600 м/с, т.е. в 4—5 раз больше скорости распространения звука в воздухе. Скорость звука в воде увеличивается с повышением температуры воды (приблизительно на 3—3,5 м/с на 1 °С), с увеличением солености (приблизительно на 1—1,3 м/с на 1‰) и с ростом давления. Последнее означает, что с ростом глубины при прочих равных условиях скорость звука возрастает (приблизительно на 1,5—1,8 м/с на 100 м глубины).
Электропроводность воды. Химически чистая вода — плохой проводникэлектричества. Удельная электропроводность такой воды при18 °С равна 3,8´10-6 (Ом м)-1. Электопроводность льда примернов 10 раз меньше, чем у жидкой воды. Электропроводность воды немного увеличивается с повышением температуры и сильно возрастает с увеличением минерализации. У морской воды электропроводность значительно больше (до 4—6 (Ом м)-1), чем у речной. Электропроводность воды несколько возрастает с ростом давления, поэтому на больших глубинах в океане (более 10 км) электропроводность воды приблизительно на 12% больше, чем в поверхностном слое.
На электропроводность воды влияет не только ее минерализация, но и химический состав. Оказалось, что воздействие на электропроводность разных ионов солей, растворенных в воде, различно, и поэтому изменение солевого состава воды влечет за собой изменение ее электропроводности даже при неизменной общей минерализации (солености). Например, ионы Cl- и К+ влияют на электропроводность воды значительно сильнее, чем ионы SO42-, Ca2+, Mg2+ и Na+.
Данные об основных физических аномалиях воды. В табл. 1.2 приведены сведения о 10 основных аномалиях воды и их влиянии на гидрологические процессы и природные условия на Земле в целом.
Таблица 1.2. Наиболее важные физические аномалии воды и их географическое значение
| № п/п | Физическая характеристика воды | Ее «аномалия» | Значение для | |
| водных объектов на Земле | природы Земли в целом | |||
| Температура плавления (замерзания), 0 °С | Очень высока | Вода может существовать в твердом виде | Существование ледников и снеж- ного покрова | |
| Температура кипения, 100 °С | Очень высока | Вода может существовать в жидком виде | Существование водоемов и водотоков — океанов, морей, рек, озер | |
| Температура наибольшей плотности, 4 °С | Наступает не в момент замерзания, а при более высокой температуре | При охлаждении водоема вода прекращает опускаться при достижении температуры наибольшей плотности. Водная толща не замерзает | Сохранение жизни в водоемах зимой | |
| Плотность льда, 917 кг/м3 | Плотность льда меньше, чем жидкой воды | Лед всплывает, теплоизолирует водоем, замедляет его охлаждение | Тоже | |
| Удельная теплота плавления (замерзания), 333´103 Дж/кг | Очень велика | При плавлении льда требуется большая затрата теплоты; при замерзании это же количество теплоты выделяется | Регулирование тепловых процессов | |
| Удельная теплота испарения (конденсации), 2,5´106 Дж/кг при 0 °С, 2,26´106 Дж/кг при 100 °С | Очень велика | При испарении воды требуется большая затрата теплоты; при конденсации водяного пара это же количество теплоты выделяется | То же | |
| Удельная теплоемкость, 4190 Дж/(кг´°С) при 15 °С | Очень велика | Вода медленно нагревается и медленно охлаждается | Тоже | |
| Коэффициент теплопроводности, 0,57 Вт/(м ´ °С) при 0 °С | Очень мал | То же | Тоже | |
| Коэффициент вязкости, 1,14´10-6м2/с при 15 °С | Мал | Вода текуча и хорошо смачивает твердые тела | Вода переносит наносы, растворенные вещества, теплоту, совершает механическую и эрозионную работу | |
| Коэффициент поверхностного натяжения, 75,6´10-3 Н/м при 0 °С и 60,8´10-3 Н/м при 90 °С | Очень велик | В порах грунта и растениях действуют капиллярные силы. Капли воды обладают ударной силой | Питание растений. Дождевая эрозия |
Примечание. Численные значения характеристик приводятсядля химически чистой воды.
Глава 2