Глава 2. Фізічныя і хімічныя ўласцівасці прыродных вод

Фізічныя і хімічныя ўласцівасці вады маюць вялікі ўплыў на прыродныя працэсы, якія працякаюць у водных аб’ектах. Уласцівасці вады, як правіла, падрабязна разглядаюцца ў курсах фізікі, хіміі. У курсе гідралогіі сушы мы разглядаем найбольш значныя з іх, якія маюць найбольшы ўплыў на гідралагічны рэжым водных аб’ектаў.

2.1. Фізічныя ўласцівасці вады

Хімічна чыстая вада па вазе ўтрымлівае 11,19 % вадарода і 88,81 % кісларода. Такую ваду можна атрымаць толькі у лабараторных умовах. Прыродная вада ўтрымлівае розныя расчыненыя і завіслыя рэчывы.

Малекула вады мае выгляд раўнабедранага трывугльніка, у вяршыне якога знахолзіцца атам кісларода, а ніжэй ад яе пад вуглом 104^о у аснаванні два атамы вадарода.

Малекулы вады аб’ядноўваюцца у агрэгаты, гэта значыць у сукупнасць некалькіх малекул: гідролі, дэгідролі, трыгідролі. У залежнасці ад суадносін паміж агрэгатамі вада знаходзіцца ў вадкім, цвёрдым ці парападобным стане. Вада ў парападобным стане складаецца у асноўным з аднародных простых малекул гідроляў – (Н₂О). Агрэгаты з двух малекул (Н₂О)₂ – называюць дэгідролямі, а з трох (Н₂О)₃ – трыгідролямі. Вада ў вадкім стане складаецца з гідроляў, дэгідроляў і трыгідроляў. Такім чынам, вада ў вадкім стане заўсёды мае некалькі агрэгатаў, якія складаюцца з некалькіх малекул і яны адначасова ўзнікаюць і зноў распадаюцца. Колькасць простых малекул і складаных (агрэгатаў) залежыць ад тэмпературы вады і адлегласцю маміж малекуламі. Лёд складаецца галоўным чынам з трыгідроляў.

Вада ў прыродзе сустракаецца ў трох агрэгатных станах: цвёрдым, вадкім і парападобным. Пераход з аднаго агрэгатнага стана у другі адбываецца са зменай тэмпературы і ціску. Пераход ад пары – да вады – лёду адбываецца з паніжэннем тэмпературы і, наадварот, – пры яе павышэнні. Пры пераходзе вады ад аднаго агрэгаьнага стана да іншага ўласцівасці вады змяняюцца скачкападобна, рэзка.

Пераход ад аднаго агрэгатнага стана у другі, напрыклад у пару, магчымы пры адпаведным ціску вадзяной пары над вадой ці ільдом, які у сваю чаргу залежыць ад тэмпературы (рыс. ). Лінія АВ з’яўляецца мяжой паміж парападобнай вадой і ільдом, ліні ВС – мяжой раўнавагі памж вадкай і парападобнай вадой.

Дакладна ўстаноўлена, што пры тэмпературы 0, 0075^о С і ціску 6,1 мб ва ўстойлівай раўнавазе адначасова можа знаходзіцца вадзяная пара, вадкая вада і лёд. На графіку кропка В адпавядае такім умовам і называецца трайной кропкай.

Прыродная вада, якая не ўтрымлівае ў сябе вялікую колькасць расчыненых ці павіслых рэчываў, у вельмі тонкіх слаях нен мае колеру, а ў тоўстых – мае блакітна-зялёнае адценне. Чыстая вада таксама не з’яўляецца правадніком электрычнага току.

Тэмпература замерзання дыстыляванай вады прынята за 0^о С, а кіпення – за 100^о С пры ціску 760 мм. Тэмпература замерзання і кіпення вады залежыць ад яе салёнасці і атмасфернага ціскку. Так, напрыклад, марская вада замярзае пры тэмпературы ад – 1,0^о С да -2,0^о С, а кіпіць пры 100,08 – 100,64^о С пры нармальным атмасферным ціску.

Шчыльнасць вады – гэта маса вады у 1 см³ . Вада мае найбольшую шчыльнасць пры тэмпературы 4^о С. Пры тэмпературах вышэй ці ніжэй дадзенай шчыльнасць вады памяншаецца, але аб’ём павялічваецца. Шчыльнасць лёду значна меньш шчыльнасці вады, таму свабодны лёд заўсёды плавае на паверхні вады.

У лабараторных умовах нерухомую спакойную ваду можна ў прынцыпе астудзіць да тэмпературы -72^о С. Калі такую ваду зрушыць, то яна раптоўна замярзае. З павелічэннем салёнасці вады тэмпература найбольшай шчыльнасці і тэмпература яе замярзання паніжаецца. Пры салёнасці меньш 24 ^о/_оо тэмпература найбольшай шчыльнасці вышэй тэмпература замярзання. Пры салёнасці 24,7 ^о/_оо гэтыя паказчыкі аднолькавыя і роўны (- 1,33^о С). З павелічэннем салёнасці тэмпература замярзання вышэй тэмпературы найбольшай шчыльнасці.

Гэтыя фізічныя асаблівасці вады вельмы уплываюць на характар замчрзання вадаёмаў. Пры салёнасці меньш 24,7 ^о/_оо вада ахалоджваецца спакойна да тэмпературы замярзання і лёд фарміруецца спакойна, роўным слоем. Гэта адбываецца таму, што пры дасягненні тэмпературы найбольшай шчыльнасці верхнія слаі вады далей астуджваюцца і іх шчыльнасць памяншаецца. Верхнія слаі становяцца больш лёгкімі, замярзаюць і застаюцца на паверхні вады.

Пры салёнасці болей 24,7 ^о/_оо пры астуджванні вады яе шчыльнасць павялічваецца і працэс перамешвання водных мас працягваецца да моманта замярзання. Таму ўтварэнне лёду адбываецца з некаторым спазненнем і фарміраванне ледзянога покрыва спазняецца.

Пры замярзанні вады яе аб’ём павялічваецца прыкладна на 10 %. З гэтым працэсам цесна звязана марознае разбурэнне горных парод пры замярзанні вады, якая знаходзіцца ў порах і шчылінах.

Удзельная цеплаёмкасць вады. Удзельнай цеплаёмкасцю вады называецца колькасць цяпла, якое неабходна для награвання 1 дм³ вады на 1 ^оС. Гэты паказчык для вады значна вышэйшы, чым для другіх цвёрдых і вадкіх рэчываў. Так цеплаёмкасць вады роўна 1,000 кал/г ^оС, лёду – 0,506 кал/г ^оС, паветра – 0,237 кал/г ^оС, глебы – у сярэднім 0,4 кал/г ^оС. Пры награванні аднолькавай масы гэтых рэчываў для вады неабходна значна больш цяпла для награвання на адну і тую ж колькасць градусаў. Гэтая з’ява мае значную ролю ў працэсах астуджвання і награвання вады сушы, фарміравання некаторых кліматычных ўмоў тэрыторый, якія прылягаюць да вадаёмаў.

Удзельная цеплата пераўтварэння вады, якая мае важнае значэнне для гідралагічных працэсаў, вызначаецца колькасцью цяпла, неабходнага для выпарэння 1 г вады пры нязменнай (адной і той жа) тэмпературы вады і нармальным ціску паветра. Важна заўважыць, што ў той жа час пры пераходзе вадзяной пары ў вадкі стан выдзяляецца такая ж кольксць цяпла (597 кал). Страты цяпла на выпарэнне выконваюць важную ролю ў цеплавым рэжыме вадаёмаў. Так, у азёр Беларусі яны складаюць каля 45-70 % ад агульных страт цяпла.

Вадаёмы сушы пры награванні накопліваюць вялікую колькасць цяпла. Гэта адбываецца ў цёплы перыяд года, а пры астуджванні аддаюць цяпло ў паветра. Такім чынам адбываецца выраўноўванне тэмпературы паветра.

Цеплаправоднасць вады. Вада вельмі марудна праводзіць цяпло. Так, напрыклад, цеплаправоднасць такіх горных парод як граніт, базальт вельмі блізкія да цеплаправоднасці вады. Цеплаправоднасць вады пры 0^о С роўна 13,6 ^. 10^-4, а пры тэмпературы +20^о С – 14,3 ^. 10^-4 кал/см.С.град. Пагэтаму роля малекулярнай цеплаправоднасці для пранікнення цяпла на глыбіню вадаёма нязначная. Пранікненне цяпла на глыбіню адбываецца у асноўным шляхам перамешвання вады, якое адбываецца пры ветравым хваляванні, цячэннях і іншых з’явах.

Цеплаправоднасць лёду яшчэ меньшая. Пагэтаму лёд аслабляе цеплаабмен паміж вадой і паветрай. Такім чынам лёд прадухіляе інтенсіўнае астуджванне вадаёмаў.

Колер вады. Вада ў тнкіх слаях не мае колеру. З павелічэннем таўшчыні слоя вада прымае блакітны і сіні колер. Калі ў вадзе знаходзяцца завіслыя мінеральныя і арганічныя часцінкі яна, адпаведна іх колькасці і складу, становіцца зяленай, жоўтай, бурай, рудой.

Празрыстасць вады таксама залежыць ад наяўнасці завіслых і расчыненых мінеральных і арганічных рэчываў. За велічыню празрыстасці прынята лічыць глыбіню, на якой бачны белы дыск дыяметрам 30 см (дыск Секкі).

Паверхневае нацяжэнне. Унутрымалекулярныя сілы праяўляюцца унутры вады ў выглядзе сіл сцаплення, а на паверхні – у выглядзе сіл прыліпання. Унутрымалекулярныя сілы вызначаюць вязкасць вады, а на яе паверхні ўзнікае паверхневае нацяжэнне.

Малеклярныя сілы на свабоднай паверхні імкнуцца ўцягнуць усе малекулы ва ўнутр вады і паменшыць свабодную паверхню. У выніку ўзнікае сіла паверхневага нацяжэння, накіраваная па нармалі до паверхні вады. На мяжы сутыкнення з цвёрдым целам вада змочвае яго паверхню, а сіла паверхневага нацяжэння прыводзіць да скрыўлення паверхні вады і яна некалькі ўздымаецца. Калі такое сутыкненне назіраецца ў пустотах грунтов дастаткова вялікага дыяметру, то паверхня вады застаецца плоскай. Пры малых дыяметрах пор, сувымяральных з радыусам скрыўлення паверхні вады, краі зліваюцца з супрацілеглых бакоў і ўтвараецца меніск. Чым меншы дыяметр пор, тым большая крывізна меніска і меншы роадус скрыўлення. У дробназерністых грунтах за кошт меніскавых сіл вад можа падымацца да 3-4 метраў. Такім чынам, дзякуючы паверхневаму нацяжэнню і меніскавым сілам вада можа рухацца ўверх, перамагаючы гравітацыйныя сілы.

Вязкасць вады абумоўлена унутраным трэннем, якое узнікае паміж часцінкамі вады і перашкаджае узаемнаму перамяшчэнню сумежных слаёў. Вязкасць адыгрывае двайную ролю. З аднаго боку вязкасць спрыяе перадачы хуткасці ад аднаго слоя воднага патоку да другога, згладжванню розных хуткасцяў, з якімі рухаюцца часцінкі вады ў розных кропках патоку. З другога боку з вязкасцю вады звязана супраціўленне, якое накіравана супраць руху патоку. Аднак яно нязначнае і на практыцы яго можна ігнараваць.