Глава 2. Физические и химические свойства природных вод

Физические и химические свойства воды имеют большое влияние на природные процессы, которые протекают в водных объектах. Свойства воды, как правило, подробно рассматриваются в курсах физики, химии. В курсе гидрологии суши мы рассматриваем наиболее значительные из их, которые имеют наибольшее влияние на гидрологический режим водных объектов.

2.1. Физические свойства воды

Химическо чистая вода по весу удерживает 11,19 % вадарода и 88,81 % кісларода. Такую воду можно получить только в лабораторных условиях. Природная вода удерживает разные раскрытые и завіслыя вещества.

Молекула воды вид раўнабедранага трывугльніка, в вяршыне которого знахолзіцца атом кісларода, а пониже от ее под углом 104о в аснаванні два атомы вадарода.

Молекулы воды объединяются в агрегаты, то есть в совокупность нескольких молекул: гідролі, дэгідролі, трыгідролі. В зависимости от соотношений между агрегатами вода находиться в жидком, твердом или парообразном состоянии. Вода в парообразном состоянии складывается в основном из однородных простых молекул гідроляў - (Н2О). Агрегаты из двух молекул (Н2О)2 - называют дэгідролямі, а из трех (Н2О)3 - трыгідролямі. Вода в жидком состоянии включает в себя гідроляў, дэгідроляў и трыгідроляў. Таким образом, вода в жидком состоянии всегда мои несколько агрегатов, которые включают в себя нескольких молекул и они одновременно возникают и опять распадаются. Количество простых молекул и сложных (агрегатов) зависит от температуры воды и расстоянием маміж молекулами. Лед складывается главным образом из трыгідроляў.

Вода в природе встречается в трех агрегатных состояниях: твердым, жидким и парообразным. Переход из одного агрегатного стана во второй происходит со сменой температуры и давления. Переход от пары - к воде - льда происходит из понижением температуры и, напротив, - при ее повышении. При переходе воды от одного агрэгаьнага стана к другому свойства воды изменяются скачкообразно, резка.

Переход от одного агрегатного стана во второй, например в пару, возможный при соответствующем давлении водяной пары над водой или льдом, который в свою очередь зависит от температуры (черт. ). Линия АВ является границей между парообразной водой и льдом, плесни ВС - границей равновесия памж жидкой и парообразной водой.

Точно устаноўлена, что при температуре 0, 0075о С и давления 6,1 мб в устойчивом равновесии одновременно может находиться водяная пара, жидкая вода и лед. На графику точка В соответствует таким условиям и называется тройной точкой.

Природная вода, которая не удерживает в себя большое количество раскрытых или павіслых веществ, в очень тонких слоях нен мои цвета, а в толстых - моей голубо-зеленой оттенок. Чистая вода также не является проводником электрического тока.

Температура замерзання дистиллированной воды принята за 0о С, а кипения - за 100о С при давлении 760 мм. Температура замерзання и кипения воды зависит от ее солености и атмосферного ціскку. Да, например, морская вода замерзает при температуре от - 1,0о С к -2,0о С, а кипит при 100,08 - 100,64о С при нормальном атмосферном давлении.

Плотность воды - эта масса воды в 1 см3 . Вода имеет наибольшую плотность при температуре 4о С. При температурах повыше или пониже данной плотность воды уменьшается, но объем увеличивается. Плотность льда значительно меньш плотности воды, потому свободный лед всегда плавает на поверхности воды.

В лабораторных условиях неподвижную спокойную воду можно в принципе охладить к температуре -72о С. Когда такую воду сдвинуть, то она внезапно замерзает. Из увеличением солености воды температура наибольшей плотности и температура ее замерзания понижается. При солености меньш 24 о/оо температура наибольшей плотности повыше температура замерзания. При солености 24,7 о/оо эти показатели одинаковые и равный (- 1,33о С). Из увеличением солености температура замерзания повыше температуры наибольшей плотности.

Эти физические особенности воды вельмы влияют на характер замчрзання водоемов. При солености меньш 24,7 о/оо вода охлаждается спокойно к температуре замерзания и лед формируется спокойно, равным слоем. Это происходит тому, что при достижении температуры наибольшей плотности верхние слои воды подальше остуживаются и их плотность уменьшается. Верхние слои становятся более легкими, замерзают и остаются на поверхности воды.

При солености больше 24,7 о/оо при перестуживании воды ее плотность увеличивается и процесс перемешивания водных масс продолжается к моменто замерзания. Потому образование льда происходит из некоторым опозданием и формирование ледяного покрова опаздывает.

При замерзании воды ее объем увеличивается примерно на 10 %. С этим процессам тесно связана морозное разрушение горных пород при замерзании воды, которая находиться в порах и щелях.

Удельная цеплаёмкасць воды. Удельной цеплаёмкасцю воды называется количество тепла, какое необходима для нагревания 1 дм3 воды на 1 ос. Этот показатель для воды значительно высший, чем для вторых твердых и жидких веществ. Да цеплаёмкасць воды равно 1,000 кал/г ос, льда - 0,506 кал/г ос, воздух - 0,237 кал/г ос, почвы - в среднем 0,4 кал/г ос. При нагревании одинаковой массы этих веществ для воды необходима значительно более тепла для нагревания на одну и ту же количество градусов. Эта явление имеет значительную роль в процессах перестуживания и нагревания воды суши, формирования некоторых климатических условий территорий, которые прилегают к водоемам.

Удельная цеплата преобразования воды, какая моей важной значимость для гидрологических процессов, определяется колькасцью тепла, необходимого для испарения 1 г воды при неизменной (одной и той же) температуры воды и нормальном давлении воздуха. Важно заметить, что в то же время при переходе водяной пары в жидкое состояние выделяется такая же кольксць тепла (597 кал). Потери тепла на испарение исполняют важную роль в тепловом режиме водоемов. Да, в озер Беларуси они складывают около 45-70 % от общих потерь тепла.

Водоемы суши при нагревании накапливают большое количество тепла. Это происходит в теплый период года, а при перестуживании отдают тепло в воздуха. Таким образом происходит выравнивание температуры воздуха.

Теплопроводность воды. Вода очень медленно проводить тепло. Да, например, теплопроводность таких горных пород как гранит, базальт очень близкие к теплопроводности воды. Теплопроводность воды при 0о С равно 13,6 . 10-4, а при температуре +20о С - 14,3 . 10-4 кал/см.С.град. Поэтому роль молекулярной теплопроводности для проникновения тепла на глубину водоема незначительная. Проникновение тепла на глубину происходит в основном путям перемешивания воды, которое происходит при ветровом волнении, цячэннях и других явлениях.

Теплопроводность льда еще меньшая. Поэтому лед ослабляет теплообмен между водой и паветрай. Таким образом лед предотвращает інтенсіўнае перестуживание водоемов.

Цвет воды. Вода в тнкіх слоях не моей цвета. Из увеличением толщины слоя вода принимает голубой и синий цвет. Когда в воде находятся завіслыя минеральные и органические частички она, соответственно их количества и сложу, становится зяленай, желтой, бурей, рудой.

Прозрачность воды также зависит от наличия завіслых и раскрытых минеральных и органических веществ. За величину прозрачности принята считать глубину, на какой видимый белый диск диаметрам 30 см (диск Секкі).

Поверхностное натяжение. Внутримолекулярные силы проявляются внутри воды в виде сил сцаплення, а на поверхности - в виде сил прилипания. Внутримолекулярные силы определяют вязкость воды, а на ее поверхности возникает поверхностное натяжение.

Малеклярныя силы на свободной поверхности стремиться втянуть все молекулы в вовнутрь воды и уменьшить свободную поверхность. В итога возникает сила поверхностного натяжения, направленная по нормали до поверхности воды. На границе столкновения из твердым телом вода смачивает его поверхность, а сила поверхностного натяжения приводить к искривлению поверхности воды и она несколько поднимается. Когда такое столкновение наблюдается в пустотах грунтов достаточно большого диаметру, то поверхность воды остается плоской. При малых диаметрах пор, сувымяральных из радиусом искривления поверхности воды, стороны сливаются из супрацілеглых сторон и образовывается мениск. Чем меньший диаметр пор, тем большая кривизна мениска и меньший роадус искривления. В дробназерністых грунтах за счет меніскавых сил вад может подыматься к 3-4 метров. Таким образом, благодаря поверхностному натяжению и меніскавым силам вода может двигаться вверх, побеждая гравитационные силы.

Вязкость воды обусловлена внутренним трением, которое возникает между частичками воды и препятствует взаимному перемещению смежных слоев. Вязкость отыгрывает двойную роль. Из одной стороны вязкость способствует передачи скорости от одного слоя водного патоку к второму, сглаживанию разных скоростей, из которыми двигаются частички воды в разных точках патоку. Из второй стороны из вязкостью воды связана сопротивление, какое направлена против движения патоку. Однако оно незначительной и на практике его можно игнорировать.