строение воды как физического тела - гидрофизика (стр. 5 из 10)
Примечание. При плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, следовательно, давление понижает температуру плавления льда. Это вытекает из принципа Ле Шателье. Действительно, пусть лед и жидкая вода находятся в равновесии при 0°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае жидкость. Таким образом, возрастание давления при 0°С вызывает превращение льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда снижается.
7.Вязкость воды с ростом давления уменьшается, а не увеличивается, как следовало бы ожидать по аналогии с другими жидкостями. Водородные связи в жидкой воде непрерывно образуются и рвутся, причем эти процессы протекают кооперативно в пределах короткоживущих групп молекул воды, названных “мерцающими кластерами”. Их время жизни оценивают в диапазоне от 10-10 до 10-11 с. Такое представление правдоподобно объясняет высокую степень подвижности жидкой воды и ее низкую вязкость
8.Диэлектрическая проницаемость ε у воды чрезвычайно велика и равна 81 (у льда при t = -5°С εл = 73), тогда как у большинства других веществ она составляет 2—8 и лишь у некоторых достигает 27—35 (спирты).
Примечание. Вследствие этого вода обладает большей растворяющей и диссоциирующей способностью, чем другие жидкости.
9.Коэффициент преломления света водой n = 1,333 для длины волны λ=580
нм и при t = 20°С, вместо требуемого теорией значения10.Удельная теплоемкость водяного пара до температуры t = 500°C отрицательна, т. е. пар при сжатии остается прозрачным, а при разрежении превращается в туман (сгущается).
11.Удельная теплота парообразования воды при понижении температуры увеличивается, достигая при 0°С очень высокого значения (25,0·105 Дж/кг).
12.Вода обладает самым высоким поверхностным натяжением среди жидкостей (0,0727 H/м при 20°С), за исключением ртути (0,465 H/м).
Может ли вода течь вверх? Вода может подниматься вверх на очень большую высоту по очень тоненьким трубочкам — капиллярам («туннелям»), смачивая их стенки.
Жидкость, смачивающая стенки капилляров, например, вода в стеклянной трубке образует вогнутый мениск, а несмачивающая, например, ртуть в той же трубке - выпуклый мениск.
Смачивающие свойства воды проявляются при подъеме грунтовых вод из толщи земли, и при питании растений, и при движении по порам промокательной бумаги или по тряпочке, опущенной в сосуд с водой. Эта объясняется ее повышенным (по сравнению с другими жидкостями) поверхностным натяжением. Каждая молекула на поверхности втягивается во внутрь жидкости. В результате возникает сила, стягивающая поверхность жидкости.
Сила поверхностного натяжения поддерживает бегающих по поверхности воды насекомых, лапки которых водой не смачиваются. Эта сила придает мыльному пузырю, падающей капле, и любому количеству жидкости в условиях невесомости форму шара. Она же поднимает воду в почве и по любым капиллярам, стенки которых, наоборот, хорошо смачиваются водой.
Гипотеза 5.10: Незамерзание воды в бутылках, помещенных внутрь пирамиды Голода, при обычных минусовых температурах является следствием вовлечения содержащихся в воде солей в мощное направленное вихревое движение, создаваемое сконцентрированными в пирамиде полями, и (или) выпадения их в осадок. Первое, как и быстрое течение реки, а второе из-за большей чистоты воды препятствует ее замерзанию. Быстрое замерзание воды после встряхивания бутылки является следствием нарушения упорядоченного вихревого движения (уменьшения вследствие этого его скорости) и (или) «загрязнения» воды выпавшими ранее солями, что перемещает точку замерзания воды в область более высоких температур, соизмеримых с температурой в пирамиде.
Как льется и капает вода в воду? Если посмотреть на конец очень тонкой водяной струи то можно наблюдать, что на поверхности струи возникают волнообразные упругие усиливающиеся колебания. Затем образуется тонкая перетяжка, которая разрывается. Утолщение струи, находящееся перед перетяжкой, превращается в каплю, а то, что было перетяжкой, оттягивается и становится маленькой капелькой. Под действием поверхностного натяжения капля колеблется (дышит), то вытягивается, то, снова расширясь, сплющивается. Ее колебания помогли физикам разгадать тайну атомного ядра, которое по некоторым своим свойствам аналогично капле воды.
Наблюдения за каплей воды дают весьма интересную информацию. Например, капля воды, упавшая в спокойную воду, превращается в вихревое кольцо. Это кольцо сверху сначала напоминает замкнутый контур, в котором «бьется» стоячая волна. Затем оно расширяется, в нем возникают утолщения, которые развиваются во вторичные вихревые колечки. Процесс повторяется, число колечек растет. И капля превращается в сложную систему вихревых потоков. При этом образуются самые разные геометрические формы. Разные формы вода образует не только при своем падении в воду. Она, как известно, и «камень точит», деформируя своим потоком грунт и создавая себе русло которое, углубляясь, постепенно меняет форму дна от узкого конусообразного (вверху) до почти плоского (внизу), плавно переходя через многие другие формы.
«Понять природу этих аномалий более чем важно, - говорит стэнфордский физик Андерс Нильсон, под руководством которого недавно завершилось еще одно интересное исследование, посвященное «странностям» воды, - ведь вода – обязательная основа нашего собственного существования: нет воды – нет жизни. Наша работа позволяет объяснить эти аномалии на молекулярном уровне, при температурах, подходящих для жизни».
5. Фазовые превращения и диаграмма состояния воды
Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т. д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления, они называются диаграммами состояния в координатах Р---Т
На рисунке 5 приведена в схематической форме диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.
В жидком состоянии – вода
Твёрдом – лёд
Газообразном – пар
Рис.5.1
Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.
лед = пар (кривая ОА)
лед = жидкость (кривая ОВ)
жидкость = пар (кривая ОС)
О – точка замерзания воды
Для воды критическая температура равна 374 градусов по цельсию. При нормальном давлении жидкая и парообразная фазы воды находятся между собой в равновесии при 100 градусов по цельсию, т.к. при этом давление пара над жидкостью сравнивается с внешним давлением и вода закипает. Пересечение трех кривых происходит в точке О – тройной точке, в которой все три фазы находятся между собой в равновесии.
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА, отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении. Через некоторое время часть воды испарится, и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представ-ляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом -- сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость--пар или кривой кипения. В таблице 5 приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.
| Таблица 5Температура | Давление насыщенного пара | Температура | Давление насыщенного пара | ||
| кПа | мм рт. ст. | кПа | мм рт. ст. | ||
| 0 | 0,61 | 4,6 | 50 | 12,3 | 92,5 |
| 10 | 1,23 | 9,2 | 60 | 19,9 | 149 |
| 20 | 2,34 | 17,5 | 70 | 31,2 | 234 |
| 30 | 4,24 | 31,8 | 80 | 47.4 | 355 |
| 40 | 7,37 | 55,3 | 100 | 101,3 | 760 |
Молекулярная физика воды в трех ее агрегатных состояниях
