Происхождение и основные свойства воды и атмосферы

Вязкость

Еще одним свойством жидких сред, которое необходимо рассмотреть, является вязкость. Вязкость-это способность двух слоев жидкой среды сопротивляться скольжению относительно друг друга. Ее можно определить как тангенциальную силу, действующую на единицу площади и способную вызвать в жидкой среде единичный градиент скорости по нормали к потоку. Вязкость имеет

размерность н * сек/м2. Жидкость с высокой вязкостью может быть названа «липкой», например глицерин. Такая среда не может течь свободно. Однако газы, имеющие значительно более низкую вязкость, обладают высокой текучестью. В табл. 1 приведены значения плотности и вязкости воздуха, воды и глицерина при атмосферном давлении и температуре

Таблица 1

Вода

Вода, основная составная часть океана, является также очень важной составной частью атмосферы; было даже высказано предположение, что для метеорологических целей воздух можно рассматривать как разбавленный водяной пар. Концентрация водяных паров в атмосфере подвержена значительным изменениям; она имеет наибольшие значения около поверхности и в низких широтах. В пробе воздуха, взятого над тропической частью океана, может содержаться более 3% водяного пара. В жидкой форме вода является самой распространенной текучей средой на поверхности Земли. Большинство населяющих Землю организмов непосредственно зависят от воды, и ее свойства оказывают решающее влияние на окружающую нас среду. В современном мире потребление воды все время увеличивается, она используется и для домашних нужд, и в промышленности, и в сельском хозяйстве. Но, несмотря на ее огромное значение для жизни и широкое распространение, вода является веществом весьма необычным.

Точки замерзания и кипения веществ связаны с размером их молекул: они тем выше, чем больше молекулы. Поэтому, сравнивая воду с другими соединениями водорода, можно было бы предположить, что вода замерзает при температуре — 100°С и закипает при — 80°С. В этом случае вся вода при существующей в настоящее время на Земле температуре должна была бы находиться в газообразном состоянии. Когда вещество замерзает, его молекулы обычно сближаются, что приводит к увеличению плотности вещества, но плотность льда меньше, чем плотность воды (табл. 2), и поэтому, когда вода замерзает в трещинах горных пород, порода разрушается и раскалывается на части. Образование в высоких широтах льда на поверхности (а не на дне) озер или океана приводит к возникновению слоя низкой термической проводимости, защищающего воду от дальнейшей потери тепла. Когда жидкость нагревается, кинетическая энергия ее молекул увеличивается, и расстояние между ними увеличивается, в результате чего плотность жидкости уменьшается. Плотность пресной воды, однако, возрастает с повышением температуры от 0°С до 4°С, достигая при этой температуре максимальной плотности. В интервале от 4°С до точки кипения плотность воды, как и следовало ожидать, с увеличением температуры уменьшается. Можно предположить, что вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры и увеличивается при сжатии: чем меньше расстояние между молекулами, тем больше их сопротивление течению. Это правило соблюдается для большинства жидкостей. Вязкость воды также резко уменьшается с увеличением температуры, но при низких температурах она уменьшается с увеличением давления.

Табл. 2

Чтобы найти объяснение этим аномальным свойствам воды, мы должны рассмотреть структуру ее молекулы. Атом водорода в молекуле воды имеет две общие электронные пары с атомом кислорода. Результатом этого является возникновение положительного электронного облака вблизи каждого атома водорода и отрицательного - вблизи атома кислорода. Четыре ковалентные связи атома кислорода имеют трехмерную тетраэдную форму с углами между ними 120°. В молекуле воды отрицательные заряды двух неподеленных электронных пар кислорода взаимно отталкиваются, что приводит к сближению тех ковалентних связей, в которых электронные пары поделены с атомом водорода. Поэтому валентный угол НОН уменьшается до 105°. Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному атому кислорода, в результате чего атомы водорода приобретают эффективные положительные заряды. Таким образом, там, где сосредоточены атомы водорода, молекула воды имеет небольшой избыток положительного заряда, а другая сторона несет слабый отрицательный заряд. При этом между молекулами возникают силы притяжения, и они объединяются в частично упорядоченные группы или структуры. Этот процесс называется полимеризацией. Связи между молекулами воды называются водородными связями.

Когда температура воды увеличивается, энергия молекул также возрастает, и они оказываются в состоянии разорвать водородные связи и отделиться от образованных групп. После этого молекулы располагаются между группами и, следовательно, занимают меньше места, что приводит к увеличению плотности воды. Создается впечатление, что баланс между этим эффектом и нормальным расширением вещества, которое происходит с увеличением температуры, достигается в пресной воде при 4°С. Ниже 4°С превалирует этот эффект, а при температуре выше 4°С основную роль играет обычное термическое расширение. Точно так же уменьшение вязкости с увеличением давления при низких температурах означает, что вода при этих температурах обладает структурой, которая препятствует течению, но которую можно разрушить, повышая давление.

 Скачать реферат