logo
Гидро

5.3 Тепловые свойства воды.

К важным особенностям изменения агрегатного состояния воды (см. рис. 1.3) или так называемых фазовых переходов относятся большая затрата тепла на плавление, испарение, сублимацию и большое выделение тепла 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 льда Lпл (количество теплоты, за­трачиваемое при превращении единицы массы льда при температуре плавления и нормальном атмосферном давлении в воду) равна 333 000 Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при замерзании (кристаллизации) воды.

Удельная теплота парообразования (испарения) Lисп (количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы воды в пар (в Дж/кг)) зависит от температуры:

Lисп = 2,5106 - 2,4•103 Т

При 0 и 100° С Lисп равны соответственно 2,5•106 и 2,26•106 Дж/кг. Столько же теплоты выделяется при конденсации водяного пара.

Удельная теплота испарения льда (возгонки) складывается из удельной теплоты плавления и удельной теплоты испарения:

Lвозг = Lпл -Lисп

Для определения количества теплоты, расходуемой на плавление льда, испарение воды и возгонку льда, используют соответственно формулы (Дж):

θпл = θ лед = mLпл

θисп = θ конд =mLисп

θвозг =θсубл=m(Lпл + Lиcn)

где m — 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 в сравнении с теплоемкостью других жидкостей и твердых веществ. Удельная теплоемкость воды 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 Дж/(кг•°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 (с плотностью 280 кг/м3) в 7,1 раза меньше теплоемкости воды, но в 450 раз больше теплоемкости воздуха.

Количество теплоты, необходимое для нагревания массы воды m на Т° С, выражается формулой (Дж)

θ = ср m Т = ср m(Tкон — Тнач)

где Tнач — начальная, Ткон — конечная температура воды.

Очень высокая удельная температура 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. 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 тепловой регуляции процессов на Земле. При меньших значениях Lпл, Lисп 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 возможна.

Из других тепловых свойств воды важное значение имеет те­плопроводность. Молекулярная теплопроводность воды очень ма­ла и равна у химически чистой воды 0,6 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, а не молекулярной теплоп­роводности.