Основні фізичні властивості води

Фізичні властивості природних вод характеризуються наступними показниками:

Температура, що визначає тепловий стан води, тобто кінетичну енергію її молекулярного руху. Температура води вимірюється водним термометром (ртутний з діленнями через 0,20 С від 30,0 до -0, 50 С, мікро - термометр ртутний з діленням через 0,01 від 1,2 до -0,80 С, електричний термометр опору).

Прозорість - це властивість води пропускати всередину світлові промені. Прозорість води залежить від наявності в ній домішок, розчинених речовин і т.д.

Колір води.

Смак.

Запах.

Для одержання кількісної характеристики водного об'єкту в гідрології застосовують балансовий метод. Балансовий метод - це сумісний розгляд, що довели до кількісної оцінки, для певного водотоку або водоймища всіх елементів, що впливають на вимірювання водної маси (метод водного балансу), домішок, що містяться в ній (метод сольового балансу, балансу речовини), і притаманних їй властивостей (метод теплового балансу, балансу енергії) за вибраний проміжок часу.

Метод водного балансу - це використання закону збереження матерії в вигляді рівняння водного балансу для дослідження закономірностей, що існують між прибутком і витратою вологи за який-небудь період часу, певної ділянки території, річкового басейну, озера, водосховища, болота або іншого водного об'єкту.

Метод водного балансу засновується на наступному очевидному рівнянні: для будь-якого простору, що обмежується деякою довільною поверхнею, кількість води, яка ввійшла в середину цього об'єму, за відрахуванням кількості води, яка вийшла назовні, повинна дорівнювати відповідно збільшенню або зменшенню її кількості в середині даного об'єму.

Метод теплового балансу - це використання закону збереження енергії в вигляді рівняння теплового балансу для дослідження закономірностей, що існують між прибутком і витратами тепла за який-небудь період часу в межах певної ділянки території, річкового басейну, озера, водосховища, болота і т. д.

Метод теплового балансу дозволяє встановити закономірності розвитку низки важливих гідрологічних процесів, що виникають під впливом теплообміну між водним об'єктом і навколишнім середовищем.

Використання методу теплового балансу дозволяє вирішувати наступні задачі:

Нагрівання й охолодження води в річках, озерах, болотах і т.д.

Розрахунки танення снігу, випару води, наростання льоду.

Кількісним виразом цього методу є рівняння теплового балансу.

Ламінарний рух - це форма руху води, що характеризується паралельнострумчатою структурою потоку. В умовах ламінарного руху обміну між сусідніми шарами рідини не відбувається. Швидкість течії у стінок, що обмежують потік, дорівнює нулю. Сила внутрішнього тертя (опору руху) і, отже, швидкість течії залежать від фізичної (молекулярної) в'язкості рідини. Опір руху пропорційно залежить від першої ступені швидкості. Чим вище в'язкість рідини, тим більше буде притаманний їй ламінарний рух. Ламінарний рух може зберігатися тільки до значення критичної швидкості течії. Критична швидкість течії встановлюється для конкретних потоків в залежності від критичного значення числа Рейнольдса.

2. Агрегатні стани води

Фази (гр. jasiz - поява, перехід, певний момент у зміні форми або стану якогось тіла) води.

1). Тверда - крига, лід.

Лід - це загальна назва твердої фази води. За місцем походження розрізняють:

лід атмосферний (сніг, іній, град);

лід водний, що утворюється на поверхні води (сало, льодовий покрив) і в масі води на різній глибині (внутрішньоводний лід);

ґрунтовий лід, що утворюється в промерзлих вологих ґрунтах;

льодовиковий (глетчерний) лід, що утворюється в районах залягання льодовиків з мас дуже ущільненого й перекристалізованого снігу.

Лід характеризується наступними показниками:

пластичність, котра зростає з підвищенням температури;

текучість, яку набуває при тривалому навантаженні і під дією власної ваги (наприклад, текучість льодовиків);

пружність при миттєвих навантаженнях;

твердість, що дуже підвищується з пониженням температури.

При зниженні температури об'єм льоду зменшується, а щільність його зростає. Теплоємність льоду 0,50 кал/(г ? град).

Коефіцієнт теплопровідності льоду 0,00540 кал/(см ? с ? град).

Коефіцієнт об'ємного розширення льоду при коливаннях температури від 0 до -200 С складає 0,000165.

Розширення об'єму води при замерзанні складає близько 9% об'єму її в рідкому стані при 00 С.

При збільшенні тиску точка замерзання води (і відповідно танення льоду) знижується.

Прихована теплота плавлення льоду дорівнює 80 кал/г.

Теплота випаровування льоду залежить від температури і виражається формулою

l = 687 - 0,708 t кал/г.

2). Рідка - вода.

Вода - це хімічна сполука кисню з воднем; окис водню. Вода - безбарвна рідина, в товстому шарі - блакитнувата. При атмосферному тиску 760 мм рт. ст. вода переходить в тверду фазу (лід) при температурі 00 С. Вода кипить при температурі 1000 С. При зменшенні тиску точка кипіння знижується: до 800 с при 335 мм рт. ст. і до 400 С при 55 мм рт. ст. Найбільшу щільність вода має при температурі 40 С. Показник заломлення води складає 1,334; швидкість звуку - 1437 м/с.

Вода в природі знаходиться в океанах, морях, річках і водоймах суходолу, в ґрунті й атмосфері. Вода робить безупинний кругообіг між гідросферою, ґрунтом і атмосферою. В атмосфері вода зустрічається у всіх трьох агрегатних станах - твердому, рідкому і газоподібному.

3). Газоподібна - водяна пара.

Водяна пара постійно знаходиться в атмосферному повітрі. Водяна пара поступає в атмосферу шляхом випаровування з поверхні води і вологого ґрунту, а також шляхом транспірації рослинами. Водяна пара знаходиться в атмосфері при температурі, яка завжди значно нижче критичної (374,2), а часто й нижче температури плавлення води (00). При таких значеннях температури величина парціального тиску водяної пари, що необхідний для її конденсації та сублімації (декілька мілібарів), часто має місце в атмосфері. При відповідних умовах водяна пара сконденсується й утворюються хмари і тумани. Тому вміст її в повітрі перемінний. Біля поверхні землі вміст водяної пари в повітрі в середньому від0,2% по об'єму в полярних широтах до 2,6% у екватора. З висотою він швидко падає, на висоті близько 1,5-2 км зменшується в два рази.

Тиск водяної пари в стані насиченості залежить від температури.

Питома теплоємкість водяної пари при 1000 С і 760 мм рт. ст. - 0,487 кал/г ? град.

Водяна пара інтенсивно поглинає сонячну радіацію в червоній та інфрачервоній частинах спектру, а також і довгохвильове випромінювання.

3. Щільність води і її зв'язок з температурою і солоністю, теплові властивості води, в'язкість, поверхневий натяг, акустичні властивості

Щільність - це відношення маси речовини до її об'єму.

Щільність прісної води при 40С і нормальному атмосферному тиску дорівнює 1 г/см3.

Щільність снігу коливається в широких межах (0,1 - 0,5 г/см3)

Щільність льоду складає близько 0,92 г/см3.

Щільність морської води змінюється в межах від майже 1 для опрісненої води на поверхні і приблизно до 1, 076 г/см3 для води на великій глибині. Щільність морської води залежить від трьох параметрів: температури, солоності і тиску.

Щільність морської води при зростанні тиску зменшується приблизно на 45 ? 10-4 г/см3 при зростанні глибини приблизно на кожні 1000 м.

При зростанні солоності щільність морської води зростає на 8 ? 10-4 г/см3 на 10/00.

Зміна щільності морської води зі зміною температури є складною функцією трьох перемінних. Наприклад, для морської води при нормальному атмосферному тиску і солоності 35 0/00 з підвищенням температури щільність морської води зменшується від 5 ? 10-5 г/см3 на 10 С при 00 С до 34 ? 10-5 г/см3 на 10 С при 300 С. В той час для прісної води це зменшення щільності дорівнює 7 ? 10-5 г/см3 на 10 С при 300 С, причому при 40 С прісна вода має максимальну щільність.

При замерзанні об'єм зростає, завдяки чому плавлення льоду супроводжується не розширенням, а стисканням;

при підвищенні тиску температура замерзання води не підвищується, знижується;

плавлення льоду супроводжується аномально великим збільшенням питомої теплоємності (майже в два рази - з 0,49 до 1,009 кал/(г . град) при 0 0С);

дуже велика питома теплоємність, яка при 15 0С приймається рівною 1 кал/(г . град).

8. Роль і значення води у природних явищах і процесах, житті та господарській діяльності людини

Вода - неоціненний і незамінний скарб і ресурс природи, одна з найважливіших рушійних сил формування географічної оболонки планети, основа виникнення й існування життя на Землі. Вона утво­рює океани і моря, річки та озера, болота, льодовики, у вигляді пари, дрібнодисперсних рідких і твердих часточок знаходиться в атмосфе­рі, міститься у ґрунтах і гірських породах, входить до складу будь-яких живих організмів, забезпечує функціонування і відтворення біо­сфери планети у цілому. Ще понад 2,5 тис. років тому один із найвідоміших мудреців прадавнини Фалес Мілетський стверджував, що "світ походить від води", вважаючи саме її першоосновою всього іс­нуючого. І насправді, історія планети Земля - це насамперед історія води. У воді вперше утворилися складні органічні сполуки, найпрос­тіші живі організми, еволюція яких зумовила сучасне біологічне різ­номаніття живої природи. Воду - цей дорогоцінний природний дар академік О. Карпінський називав живою кров'ю природи, яка ство­рює життя там, де його не було раніше. За висловом В. Вернадського, "Вода стоїть осібно в історії нашої планети. Нема природного тіла, яке б могло зрівнятися з нею за впливом на хід основних найграндіозні- ших геологічних процесів. Нема земної речовини - мінералу, гірської породи, живого тіла, які б її не містили. Вся земна речовина у верхній частині планети нею просякнута і охоплена".

Завдяки своїм специфічним фізичним властивостям вода на Землі за звичайних природних умов може існувати і в твердому, і в рідкому, і в газоподібному стані одночасно. Це зумовлює можливість природно­го кругообігу земних вод. Його перебіг як в глобальному, так і в регіо­нальному і місцевому масштабах забезпечує обмін речовин і енергії між різними складовими довкілля, об'єднує в єдину цілісну систему рі­зноманітні водні об'єкти і навіть різні частини планети.

Більшу частину поверхні земної кулі займає Світовий океан, який є основним збирачем і акумулятором тепла на Землі. Відомо, що 1 см³ води, температура якої підвищується на 1 °С, може цим теп­лом підвищити на 1 °С температуру повітря об'ємом 2744 см³. Звід­си стає зрозумілим вплив океанів і морів на клімат прилеглих тери­торій, який проявляється в його пом'якшенні. Частини ж материків, віддалені від морів, мають континентальний клімат із холодною зи­мою та жарким літом.

Маси океанічної й морської води, перемішуючись у вигляді теплих або холодних течій з одних місць в інші, отеплюють або охолоджують значні території. Океани і моря є також основним джерелом надхо­дження вологи в атмосферу, яка оберігає Землю від надмірного охо­лодження в періоди зменшення притоку сонячної радіації, утворює опади і цим сприяє пом'якшенню клімату.

Завдяки величезній масі і специфічним тепловим властивостям гі­дросфера Землі виконує роль головного регулятора планетарних теп­лових процесів. У середньому вона поглинає близько 77 % сонячної енергії, що досягає земної поверхні, передаючи її потім в атмосферу в процесах випаровування і наступної конденсації водяної пари, а та­кож шляхом турбулентного теплообміну. Разом з тим природні води різних регіонів Землі, теплові властивості й інші характеристики яких залежить від широтного розподілу сонячної радіації, самі суттєво впливають на перерозподіл теплоти в меридіональному напрямку: з морськими течіями тепло з районів його накопичення (низькі широ­ти) переноситься до місць його витрачання (високі широти). Це вирі­внює сучасні теплові різниці на різних широтах.

Гідросфера Землі справляє значний вплив на метеорологічні умови. Загальні закономірності розподілу атмосферного тиску, напрямки і сила вітрів, хмарність та інші чинники залежать від розподілу води на земній кулі і різниці в їх температурах. Крім того, загальна цирку­ляція атмосфери і переміщення повітряних мас супроводжується від­повідними трансформаціями над водними акваторіями (нагрівання, охолодження, насичення вологою тощо). І звичайно зрозуміло, що ос­новним джерелом опадів є Світовий океан.

У процесі власного кругообігу вода формує інший кругообіг, який без неї просто не міг би існувати: вона руйнує і розчиняє гірські по­роди на суходолі, активно переносить продукти руйнування і розчи­нені речовини та відкладає їх в інших місцях. Основним накопичувачем таких продуктів у кінцевому випадку є Світовий океан. Вода під­хоплює, переносить і відкладає також продукти руйнування порід і ґрунтів, що утворюються внаслідок дії інших процесів: вітрової ерозії, вулканічних вивержень, морозного вивітрювання, дії сонячного про­міння, живих організмів тощо.

Значну роль у виникненні і перебігу ерозійних процесів на суші ві­діграють атмосферні опади, які формують поверхневий стік, утво­рюють струмки та річки. Текучі води розмивають земну поверхню (водна ерозія), захоплюють продукти розмиву і руйнування гірських порід та переносять їх у зниження в рельєфі. Текучі води не можуть переносити на значні відстані важчі частинки продуктів руйнування, і вони досить швидко відкладаються (відбувається їх акумуляція). Бі­льшу частину продуктів розмиву річки виносять у моря й озера, де утворюються донні відклади. Ерозійна діяльність текучих вод іноді виражена дуже різко: в гірських районах формуються селеві потоки, на рівнинах із розчленованим рельєфом - яри. У результаті яружної ерозії втрачаються значні площі орних та інших цінних земель.

Великої шкоди завдає площинний змив, унаслідок якого ґрунт не тільки збіднюється на вологу, а й втрачає родючий шар. У районах із розчленованим рельєфом щорічний змив ґрунту становить 2-40 т з 1 га; іноді досягає 50-80 т, а при катастрофічних зливах - 250 т з 1 га і більше. До цього слід додати, що великі маси наносів, які річки приносять в озера, ставки і водосховища, викликають швидке заму­лення їх, заростання й перетворення на болота. Отже, в результаті діяльності текучих вод збільшується почленованість і змінюється за­гальний вигляд суші.

Надмірне, застійне або слабко-проточне зволоження ділянок земної поверхні спричиняє виникнення процесів заболочування. На таких ділянках з'являється характерна для боліт рослинність і починає відк­ладатися торф.

Ерозійно-акумулятивні процеси, що відбуваються на земній повер­хні, та їх наслідки безсумнівно зумовлюються прямим чи опосередко­ваним впливом природних вод. Без участі води неможливо уявити хімічне вивітрювання гірських порід. Зазначені процеси в річкових басейнах змінюють цілі гірські системи. Наслідком потужної дії вод і різних гідрологічних чинників є абразія морських берегів, берегів озер і водосховищ, формування дельтових рівнин і шельфу, підвод­них каньйонів і глибоководних конусів виносу твердих матеріалів.

У природі роль води як унікального й універсального розчинника є надзвичайною. Розчиняючись у воді, найрізноманітніші речовини, що входять до складу земної кори, набувають підвищеної міграційної здатності, утворюють біологічно активні сполуки, вільно перемішу­ються на значні відстані, розсіюються чи, навпаки, накопичуються в однорідних за хімічним складом відкладах, часто утворюючи потужні родовища корисних копалин.

Багато вільної і зв'язаної води міститься у верхніх шарах літосфе­ри. Така вода впливає на процеси формування ґрунтів, їх родючість, придатність для розвитку різних видів рослинності і сільськогоспо­дарського використання. Підземні води також беруть участь у бага­тьох фізико-географічних процесах, що відбуваються на Землі. На­самперед вони є одним із джерел живлення річок, озер, водосховищ. Разом із підземними водами до вод річок і інших поверхневих водних об'єктів потрапляє значна кількість розчинених речовин, які вино­сяться в моря та океани і там накопичуються переважно у вигляді розчинених солей (хлоридів і сульфатів натрію, кальцію, магнію тощо). У місцях виходу підземних вод на поверхню, на схилі розвива­ються такі негативні фізико-географічні процеси, як заболочування, зсуви, утворення карсту тощо.

Отже, у формуванні географічної оболонки Землі, обрису її повер­хні воді належить надзвичайно велика роль. Вода - важливий ком­понент природних ландшафтів, носій речовини та енергії, вирі­шальним чином впливає на їх обмін між геосферами і різними гео­графічними регіонами.

Винятковим є значення води в усіх біологічних процесах на нашій планеті. Уся жива речовина на ній більш ніж на % складається з води. На вуглець, що входить до складу цієї речовини, припадає тільки 10 %, а 90 % її маси складають водень і кисень переважно у вигляді молекул Н2О. Без повітря (кисню) життя можливе (анаеробні організ­ми), без води - ні. Недаремно В. Вернадський вважав, що "життя - це особлива колоїдальна водна система ... особливе царство природних вод", що "вода і жива речовина - генетично пов'язані частини органі­зованості земної кори".

Область поширення живих організмів (біосфера) займає частину атмосфери (до 25 км над рівнем моря), поверхневі води і води океа­нів і морів (на глибину до 10-11 км) і верхню частину літосфери (на глибину до 3 км). Тому, за Вернадським, біосфера - це оболонка Зем­лі, склад, структура та енергетика якої зумовлені минулою чи сучас­ною діяльністю всіх живих організмів у причинно-наслідковому взає­мозв'язку з тим чи іншим середовищем, у якому вони проживають. Переважна маса вод біосфери неодноразово проходить через живі організми в результаті обміну речовин або метаболізму. Тому всі води біосфери (щонайменше 99 % їх) є біогенними водами,які на початко­вих етапах розвитку гідросфери утворилися за рахунок космогенних вод,що надходили на планету з навколишнього космічного простору, чи ендогенних вод,які надходять із глибин Землі.

Існування і розміщення різних живих організмів на Землі в цілому підпорядковується кліматичній зональності, однак суттєво залежить від наявності води та її фізико-хімічних властивостей. Основним се­редовищем проживання тваринних організмів слугує Світовий океан. Рослини заселяють і океан і сушу. В останньому випадку їх поширен­ня визначається наявністю необхідної кількості тепла, характером ґрунтів і, що особливо важливо, наявністю води.

Живі організми, що проживають у водному середовищі, назива­ються гідробіонтами.За місцем проживання і характером перемі­щення гідробіонти поділяють на планктон(організми водної товщі у завислому стані, не здатні самостійно переміщуватися на значні від­далі, міграція яких у межах того чи іншого водного об'єкта може від­буватися в основному за рахунок їх перенесення течіями), нектон