Тепловые свойства воды
и большое выделение теплоты при обратных переходах. В сравнении с другими веществами удельная теплота плавления льда и удельная теплота парообразования аномально высоки. Они представляют две очередные «аномалии» воды.
Удельная теплота плавления пресного льда Lm (количество теплоты, затрачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду) равна 333 ООО Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при замерзании (кристаллизации) химически чистой воды.
Удельная теплота парообразования (испарения) Хисп (количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар (в Дж/кг)) зависит от температуры:
геП = 2,5 • 10 6 — 2,4 • 10 3 Г.
При 0 и 100 °С Lmn равны соответственно 2,5 • 10 6 и 2,26 х х 10 6 Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при конденсации водяного пара.
Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения:
Для определения количества теплоты, расходуемой на плавление льда, испарение воды и возгонку льда, используют соответственно формулы (Дж):
где т — масса воды, в том числе образующаяся из льда при его плавлении или эквивалентная испаряющемуся льду.
При конденсации воды, ледообразовании или конденсации в твердую фазу (сублимации) выделяется теплота, которую можно определить также по формулам (1.11) — (1.13).
Для нагревания воды вне точек фазовых переходов необходимо затратить большое количество теплоты. Удельная теплоемкость воды (количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы воды на один градус) также аномально высока по сравнению с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ. Удельная теплоемкость воды при постоянном давлении ср при 15 °С равна 4190 Дж/(кг- °С).
Изменение удельной теплоемкости воды при изменении температуры также весьма своеобразно. При температуре около 33 °С удельная теплоемкость пресной воды минимальная — около 4180 ДжДкг- °С); она немного увеличивается при более низкой и при более высокой температуре. Теплоемкость чистого льда почти в два раза меньше
теплоемкости воды, а чистого сухого снега (плотностью 280 кг/м 3 ) в 7,1 раза меньше теплоемкости воды, но в 450 раз больше теплоемкости воздуха.
С увеличением содержания в воде солей удельная теплоемкость воды слабо уменьшается. Поэтому теплоемкость морской воды немного меньше, чем пресной. Отмечается также небольшое уменьшение удельной теплоемкости воды с увеличением давления, что также имеет некоторое значение для тепловых процессов в толще океана.
Количество теплоты Д0, необходимое для нагревания массы воды т на АТ°С, выражается формулой (Дж)
где Тнач — начальная, Ткон — конечная температура воды.
Очень высокая удельная теплота плавления (замерзания) и испарения, а также весьма большая теплоемкость воды оказывают огромное регулирующее влияние на тепловые процессы не только в водных объектах, но и на всей планете. При нагревании земной поверхности огромные количества теплоты тратятся на таяние льда, нагревание и испарение воды. В результате нагрев земной поверхности замедляется. Достаточно упомянуть, что на нагревание воды уходит теплоты в 5 раз больше, чем на нагревание сухой почвы, а теплосодержание всего лишь трехметрового слоя океана равно теплосодержанию всей атмосферы. Наоборот, в процессе охлаждения земной поверхности при конденсации водяного пара и замерзании воды выделяются огромные количества теплоты, сдерживающие процесс охлаждения. Полезно напомнить, что в большинстве водных объектов (кроме полярных ледников) изменение температуры воды, как правило, происходит в интервале от -2 до +30 °С; для суши этот диапазон значительно шире: от -70 до +60 °С.
Важно также подчеркнуть, что чем больше влаги в почве, тем медленнее такая почва нагревается и остывает. Благодаря большой теплоемкости нагревание и охлаждение воды происходит медленнее, чем воздуха.
Таким образом, отмеченные аномальные особенности тепловых свойств воды способствуют теплорегуляции процессов на Земле. При меньших значениях ZHcn и ср поверхность Земли нагревалась бы и охлаждалась гораздо быстрее, возрос бы и диапазон изменения температуры. В таких условиях вся вода на Земле то замерзала бы, то испарялась, гидросфера имела бы совсем иные свойства, а жизнь в таких условиях вряд ли была бы возможна.
Отмеченные особенности тепловых свойств воды — аномально большие удельная теплота плавления, удельная теплота испарения и удельная теплоемкость воды, а также аномально высокие температура плавления и температура кипения — объясняются одной и той же причиной: наличием сильных межмолекулярных взаимодействий в жидкой воде и льде, о которых речь шла выше. Поэтому для плавления льда, нагревания и испарения воды, при которых преодолеваются водородные связи, необходимы гораздо большие затраты энергии, чем для других веществ.
Из других тепловых свойств воды важное значение имеет теплопроводность. Молекулярная теплопроводность воды очень мала и равна у химически чистой воды 0,57 Вт/(м*°С), у льда 2,24 Вт/(м-°С), у снега 1,8 Вт/(м-°С). Меньшую молекулярную теплопроводность имеет лишь воздух.
С уменьшением температуры и давления и увеличением солености теплопроводность воды немного уменьшается. С понижением температуры и уменьшением плотности льда и снега их теплопроводность также уменьшается.
Малая теплопроводность воды способствует ее медленному нагреванию и охлаждению. Снег предохраняет почву, а лед — водоемы от промерзания. Передача теплоты в воде рек, озер и морей происходит в основном благодаря турбулентной (при динамическом перемешивании), а не молекулярной теплопроводности.
Заметим, что в физике единицы для измерения теплоты, так же как и единицы массы, выведены из свойств воды. Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г химически чистой воды на
- °С, было принято за 1 калорию (кал). При пересчете в единицы системы СИ вместо калорий ввели джоули (1 кал = 4,1868 Дж). Поэтому теплоемкость химически чистой воды и составляет во внесистемных единицах 1 кал/(г*°С), а в системе СИ 4190 Дж/(кг-°С).
Источник
Термические свойства морской воды
К ним относятся температура, удельная теплоемкость, теплопроводность, теплота испарения (конденсации) и теплота плавления (льдообразования), температура наибольшей плотности и температура замерзания морской воды, потенциальная температура.
Удельная теплоемкость определяется количеством тепла, которое необходимо затратить на нагрев 1 г вещества на 1 0 С.
Удельная теплоемкость морской воды зависит от температуры, солености и давления и уменьшается с их увеличением.
Теплоемкость воды выше, чем у большинства веществ (кроме водорода и жидкого аммиака). Воздух и горные породы имеют удельную теплоемкость значительно меньше, чем вода. Высокая теплоемкость воды по сравнению с теплоемкостью атмосферы и суши оказывает огромное влияние на характер тепловых и динамических процессов, протекающих в атмосфере и океане.
Она способствует накоплению больших запасов тепла в теплую часть года в океане, которое затем постепенно отдается атмосфере зимой. При охлаждении на 1°С одного объема воды море отдает в атмосферу тепло, которое нагревает на 1°С более 3000 таких же объемов воздуха. Известно, что только верхний 10-метровый слой океана содержит тепла в 4 раза больше, чем вся атмосфера.
Даже незначительные изменения температуры этого слоя связаны с мощными потоками тепла в атмосферу. Обладая способностью поглощать и высвобождать большое количество тепловой энергии, вода смягчает резкие колебания климата на Земле, особенно над самим океаном и прибрежными частями материков.
Теплопроводностью морской воды называется количество тепла, переносимое в единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению градиента температуры, равного единице. Она наибольшая среди всех распространенных в природе жидкостей.
Теплопроводность морской воды характеризуется коэффициентом молекулярной теплопроводности, который возрастает с увеличением температуры и давления и уменьшением солености. Но перенос тепла за счет молекулярной теплопроводности идет очень медленно, поэтому для Мирового океана основную роль играет турбулентная теплопроводность (передача тепла большими объемами воды при их вихревом движении), коэффициент которой в тысячи раз больше коэффициента молекулярной теплопроводности.
Но даже на молекулярном уровне тепло передается через воду примерно в 100 раз быстрее, чем соли. Эта разница в скорости обеспечивает существование уникального механизма перемешивания, называемого двойной диффузией, благодаря которому массы воды в толще океана обмениваются теплом и солями.
Удельная теплота испарения (конденсации) морской воды – количество тепла, которое расходуется на превращение 1 г воды в пар при неизменной температуре.
Вода не переходит из одного состояния в другое просто так. Каждый переход требует затрат тепловой энергии, а общепринятой единицей для измерения тепловой энергии является калория. Чтобы превратить воду в пар, нужно сообщить ей определенное количество калорий тепла. Чтобы превратить пар в воду, от него нужно отнять столько же калорий.
По сравнению с другими веществами вода обладает очень большой теплотой испарения. 1 грамму нагретой до кипения дистиллированной воды нужно сообщить 540 кал, чтобы превратить ее в пар. Это достаточно большая величина – ее хватило бы на то, чтобы повысить температуру чашечки чая на 6 0 С.
Испарение играет важную роль в теплообмене между океаном и атмосферой и является одним из основных климатообразующих факторов. С поверхности Мирового океана в среднем за год испаряется слой воды толщиной 1.2 м. При этом с поверхности океана вместе с паром передается в атмосферу громадное количество тепла – почти 25% поступающего от Солнца. Перенос пара в атмосфере играет определяющую роль в переносе в полярные районы избытка тепла, образующегося при поглощении солнечной радиации в тропиках. Процесс высвобождения этого скрытого тепла обеспечивает энергию для образования тропических циклонов, тайфунов и ураганов.
Удельная теплота плавления (кристаллизации) морской воды — количество тепла, необходимого для плавления 1 г морского льда данной температуры и солености. Теплота плавления как пресного, так и морского льда значительно больше, чем теплота плавления других веществ, за исключением аммиака. 1 г воды при замерзании и превращении в лед должен потерять около 80 кал, и, наоборот, столько же тепла высвобождается при таянии льда.
Лед играет важную роль в концентрации тепловой энергии, переносимой вокруг земного шара. Во-первых, ледяной покров изолирует поверхностные воды океана от атмосферы. Вследствие этого океаны получают меньше солнечной радиации, т.к. значительная часть ее отражается ледяной поверхностью, но и меньше тепла уходит из океанов, поскольку океан изолирован льдом от атмосферы. Во-вторых, при образовании морского льда большая часть солей из него переходит в нижележащие слои воды, увеличивая ее плотность, что приводит к погружению воды и формированию новых водных масс. В масштабах всех океанов ежегодно замерзает и тает около 18000 км 3 воды. Тепло, высвобождаемое или поглощаемое в процессе образования и таяния льда, дает существенный вклад в глобальный тепловой баланс Мирового океана.
Источник