Теплофизические свойства воды

t, 0С	с, КДж. Кг×К	l w, Вт. М×К	а ×104, м2 с	u ×106, м2 с	m, кг×сек м2	bt ×106, 0С –1	Рr
	4,12	0,554	0,0013	1,790	182,3	-68,28	13,7
	4,12	0,573	0,00136	1,300	133,1		9,56
	4,12	0,597	0,00142	1,000	102,0	206,77	7,06
	4,12	0,616	0,00153	0,805	81,7	303,26	5,5

 

Переход воды из жидкого состояния в твердое (кристаллическое — лед) сопровождается выделением теплоты кристаллизации Q _кр., а обратный ему процесс — таяние льда — поглощением теплоты плавления Q _пл.. Эта способность вещества определяется удельной теплотой кристаллизации (плавления):

L _кр. = Q _кр./ m или L _пл. = Q _пл./ m, (2.14)

где m — масса затвердевающего (тающего) тела.

Удельная теплота кристаллизации воды L _кр. — это количество теплоты, которое выделяется при кристаллизации 1кг воды при постоянной температуре. Для дистиллированной воды она равна 33,3·10⁴ Дж/кг.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное (пар) сопровождается поглощением теплоты испарения Q _и. Источником ее обычно служит внутренняя энергия самой жидкости, поэтому при испарении она охлаждается. Обратный испарению процесс — конденсация пара — сопровождается выделением теплоты Q _к, равной теплоте испарения. Эта способность вещества определяется удельной теплотой испарения (конденсации):

L _и = Q _и/ m или L _к = Q _к/ m. (2.15)

Итак, удельная теплота испарения воды — это количество теплоты, необходимое, чтобы перевести 1кг воды в парообразное состояние при постоянной температуре. Удельная теплота испарения воды зависит от температуры, при которой испаряется вода. Эта зависимость определяется следующей эмпирической формулой:

L _и = (25 – 0,024 t _п) 10⁵, (2.16)

где 25·10⁵ Дж/кг — удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0°С; t _п — температура поверхности испаряющейся воды.

Температуропроводность — физический параметр вещества и, в частности, воды, способствующий передаче теплоты таким образом, что температура в каждой точке стремится к соответствующему в данный момент установившемуся состоянию. Характеристикой температуропроводности является коэффициент температуропроводности a = λ/(c ρ), где λ — коэффициент теплопроводности. Коэффициент температуропроводности воды слабо зависит от температуры: при температуре, равной 0 и 10°С, a соответственно равно 0,485·10^-3 и 0,504·10^-3 м²ч.

Отмеченные выше тепловые показатели воды аномальны по сравнению с аналогичными характеристиками других веществ. Это обстоятельство обязано ее структуре, обусловленной водородными связями между молекулами, характеризующимися большей прочностью, чем межмолекулярные взаимодействия. Например, большая теплоемкость воды может быть объяснена только распадом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением энергии, то при нагревании воды теплота расходуется не только на повышение температуры, но и на распад ассоциированных молекул.

4. Вязкость. Вязкость есть физическое свойство вещества (жидкости, газа, твердого тела) оказывать сопротивление перемещению одной его части относительно другой. Вязкость является одним из главных свойств воды. Различают объемную и тангенциальную вязкость. Под объемной вязкостью понимают способность жидкости воспринимать растягивающие усилия. Этот вид вязкости воды проявляется, например, при распространении в ней звуковых и особенно ультразвуковых волн. Тангенциальная вязкость характеризует способность жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям.

Исследования показывают, что сопротивление жидкости растягивающим и сдвигающим усилиям проявляется лишь при различных скоростях движения одного слоя жидкости по другому, т. е. при возникновении угловых скоростей сдвига частиц. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на слой, движущийся медленнее, действует ускоряющая сила. Наоборот, со стороны слоя, движущегося медленнее, на слой, движущийся быстрее, действует тормозящая, задерживающая сила. Эти силы, носящие название сил внутреннего трения, направлены по касательной к поверхности слоев.

По закону Ньютона, силы внутреннего трения пропорциональны градиенту скорости по нормали и площади, на которую они действуют. Относя силу внутреннего трения к площади, равной единице, получаем касательное напряжение в жидкости. Оно определяется по формуле

τ = μ dυ;/ dn, (2.17)

где μ — динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость). Он определяет собой силу трения, приходящуюся на единицу поверхности при градиенте скорости, равном единице. Поэтому иногда его называют коэффициентом внутреннего трения. В реальной жидкости, в отличие от идеальной, μ ¹ 0.

Динамический коэффициент вязкости воды в сильной степени зависит от температуры, но почти не зависит от давления. Значение этого коэффициента для пресной воды, полученное опытным путем для t°С = 0°С, μ = 1,793·10³ Па·с. При расчете динамического коэффициента вязкости применяют эмпирическую формулу Пуазейля:

μ = 0,000183/(1 + 0,0337 t + 0,000221 t ²), (2.18)

где t — температура воды.

Следует отметить, что во многие расчетные формулы входит отношение динамического коэффициента вязкости μ к плотности жидкости ρ, носящее название кинематического коэффициента вязкости (кинематическая вязкость):

ν = μ/ρ. (2.19)

Значения коэффициентов вязкости существенно уменьшаются с повышением температуры.

Динамический коэффициент вязкости соленой воды незначительно отличается от коэффициента вязкости пресной воды. Например, при t = 20°С и S = 25‰ он равен 1,052·10^-3 Па·с, а для пресной воды — 1,003·10^-3 Па·с, т. е. больше примерно на 5%.

5. Поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение воды возникает на поверхности соприкасания ее с воздухом, твердым телом или другой жидкостью. Оно обусловлено силами притяжения между молекулами. Внутри воды силы притяжения между молекулами взаимно компенсируются, а на молекулы, находящиеся вблизи поверхности, действует нескомпенсированная результирующая сила, направленная внутрь от ее поверхности. Поверхностное натяжение стремится уменьшить поверхность жидкости до минимума. Поэтому капли жидкости имеют сферическую форму, а в невесомости — форму шариков (поверхность сферы является наименьшей из всех геометрических фигур равного со сферой объема).

Сила поверхностного натяжения F действует на свободной поверхности жидкости, направлена по касательной к поверхности и нормально к границе свободной поверхности; она определяется по формуле

F = σ l, (2.20)

где l — длина контура поверхности жидкости; σ — коэффициент поверхностного натяжения (поверхностное натяжение), H/м. Коэффициент поверхностного натяжения зависит не только от природы жидкости и ее температуры, но и от природы и состояния той среды, с которой соприкасается данная жидкость. В пределах от — 5... 35°С он может быть вычислен по формуле (Н/м)

σ = (75,64 - 0,15 t) 10³. (2.21)

Коэффициент поверхностного натяжения соленой воды отличается незначительно от коэффициента поверхностного натяжения пресной воды.

Поверхностное натяжение влияет на условия обмерзания сооружений, испарение, волнение, влажность снежного покрова и другие гидроледотермические явления.

6. Смачивание. При соприкосновении твердого тела с водой смачивание наблюдается в том случае, когда взаимодействие между их молекулами сильнее взаимодействия между молекулами самой воды. В этом случае вода будет стремиться увеличить поверхность соприкосновения и растечется по твердому телу. Когда же взаимодействие между молекулами твердого тела и молекулами соприкасающейся с ним воды более слабое, чем между молекулами самой воды, вода будет стремиться сократить поверхность соприкосновения с твердым телом. По отношению к твердым телам вода обладает свойством полного и частичного смачивания и полного несмачивания.

Явление смачивания имеет большое значение при изучении передвижения влаги по капиллярам в почвогрунтах и в снеге. Поверхность смачивающей жидкости, находящейся в узких капиллярах, принимает вогнутую форму (рис. 2.1). При вогнутом мениске давление жидкости (воды) под ним будет меньше атмосферного на уровне горизонта подземных вод P _а на величину

Δ P = 2σ/ r, (2.22)

где r — радиус кривизны мениска (обычно принимается равным радиусу капилляра). Поэтому в капиллярах почвогрунтов вода поднимается на высоту h, при которой вес ее столба уравновешивает отрицательное дополнительное давление, обусловленное кривизной мениска:

Δ P = ρ gh, (2.23)

где ρ — плотность воды, g — ускорение свободного падения.