2.3.2. Плътност на водата
Плътносттае най-важната физическа характеристика на всяко вещество. Това е масата на хомогенно вещество на единица от неговия обем:
къдетоmе масата; V - обем, m 3; ρ - плътност, kg / m 3.
Плътността на водата, подобно на други вещества, зависи главно от температурата и налягането (а за природните води също и от съдържанието на разтворени и фино диспергирани суспендирани вещества) и се променя рязко по време на фазовите преходи.
С повишаване на температурата, плътността на водата, както всяко друго вещество, намалява в по-голямата част от температурния диапазон, което е свързано с увеличаване на разстоянието между молекулите с повишаване на температурата. Този модел се нарушава само при топене на леда и при нагряване на водата в диапазона от 0 до 4 °C (по-точно 3,98 °C). Тук се отбелязват още две много важни "аномалии" на водата:
1) плътността на водата в твърдо състояние (лед) е по-малка, отколкото в течно състояние (вода), което не е така за по-голямата част от другите вещества;
2) в температурния диапазон на водата от 0 до 4 °C плътността на водата не намалява с повишаване на температурата, а се увеличава. Характеристиките на промяната в плътността на водата са свързани с пренареждането на молекулярната структура на водата.
Тези две "аномалии" на водата са от голямо хидроложко значение: ледът е по-лек от водата и затова "плува" на нейната повърхност; резервоарите обикновено не замръзват до дъното, тъй като прясната вода, охладена до температури под 4 ° C, става по-малко плътна и следователно остава в повърхностния слой.
Между другото отбелязваме, че свойствата на водата послужиха като основа за единиците за маса. В системата CGS масата на 1 cm 3 химически чиста вода при температурата на най-високата й плътност (
4 ° C) се приема за 1 g. В системата SI (международна) масата на 1 m 3 химически чиста вода се оказа 1000пъти повече - 1000 кг.
Плътността на леда зависи от неговата структура и температура. Порестият лед може да има много по-ниска плътност от непорестия лед. Още по-малка плътност на снега. Плътността на прясно падналия сняг е 80–140 kg/m3, плътността на утъпкания сняг постепенно нараства от 140–300 (преди топенето) до 240–350 (в началото на топенето) и 300–450 kg/m3 (в края на топенето). Плътният мокър сняг може да има плътност до 600–700 kg/m 3 . Снежните полета по време на топенето имат плътност 400-600, лавинният сняг - 500-650 kg / m 3.
Слоят вода, образуван при топенето на леда и снега, зависи от дебелината на слоя лед или сняг и тяхната плътност.
Плътността на водата също се променя в зависимост от съдържанието на разтворени вещества в нея и се увеличава с увеличаване на солеността. Плътността на морската вода при нормално атмосферно налягане може да достигне 1025–1033 kg/m 3 .
Комбинираният ефект на температурата и солеността върху плътността на водата при нормално атмосферно налягане се изразява с помощта на така нареченотоуравнение на състоянието на морската вода.Такова уравнение в най-простата си линейна форма се записва, както следва:
къдетоT– температура на водата, °C;S– соленост на водата, ‰;ρ0е стандартната плътност на водата приТ= 4 °С иS=0 ‰,т.е. 1000 kg / m 3; α и β са коефициенти, които отчитат естеството на зависимостта на плътността на водата от нейната температура и соленост. Коефициентът α отразява влиянието на топлинното разширение върху плътността на водата и следователно има отрицателен знак; различно е при различните температури; коефициентът β отразява влиянието на съдържанието на разтворени вещества върху плътността на водата и има положителен знак. В най-простия случай вземете: α \u003d -0,007 10 -3 ° С -1 при ниско (
5 °С) и α = -0,4 10 -3 °С -1 при висока (
тридесет°С) температура на водата, β = 0,8 10 3‰.
Увеличаването на солеността на водата също води до намаляване на температурата на най-високата плътност (°C) съгласно формулата
Увеличаването на солеността на всеки 10 ‰ намаляваTmax. pl.приблизително 2 °C.
Връзката между най-високата плътност и температурата на замръзване влияе върху естеството на процеса на охлаждане на водата и вертикалната конвекция - смесване поради разликите в плътността. Охлаждането е процес наконвекция на вертикална плътност.Въпреки това, за пресни и солени води със соленост под 24,7 ‰, такъв процес продължава само докато температурата на водата достигне най-високата си плътност. По-нататъшното охлаждане на водата води до намаляване на нейната плътност и не е придружено от вертикална конвекция. Солени води приS>gt; 24,7‰ са подложени на вертикална конвекция, докато замръзнат.
По този начин в пресни или соленоводни води през зимата в дънните хоризонти температурата на водата е по-висока, отколкото на повърхността, и винаги над точката на замръзване. Това обстоятелство е от голямо значение за запазването на живота във водоемите на дълбочина.
Аномална промяна в плътността на водата с промяна на температурата води до същата "аномална" промяна в обема на водата: с повишаване на температурата от 0 до 4 ° C обемът на химически чистата вода намалява и само с по-нататъшно повишаване на температурата се увеличава; обемът на леда винаги е значително по-голям от обема на същата маса вода (припомнете си как тръбите се пукат, когато водата замръзне).
Промяната в обема на водата с промяна на нейната температура може да се изрази с формулата
къдетоVT1е обемът на водата при температураТ1,;VT2– обем вода приТ2;γ– коефициент на обемна топлиннаразширение, приемащо отрицателни стойности при температури от 0 до 4 °C и положителни при температури на водата над 4 °C и под 0 °C (лед);ΔT = T2-T1.
Налягането също има известно влияние върху плътността на водата. Свиваемостта на водата е много малка, но на големи дълбочини в океана все още влияе върху плътността на водата. За всеки 1000 m дълбочина плътността поради влиянието на налягането на водния стълб се увеличава с 4,5–4,9 kg / m 3. Следователно при максимална дълбочина на океана (около 11 km) плътността на водата ще бъде приблизително 48 kg/m 3 по-висока, отколкото на повърхността, а приS=35 ‰ ще бъде около 1076 kg/m 3 . Ако водата беше напълно несвиваема, нивото на Световния океан би било с 30 метра по-високо, отколкото е в действителност. Ниската свиваемост на водата позволява значително да се опрости хидродинамичният анализ на движението на природните води.