Физические свойства воды

Несмотря на то, что вода - вещество, принятое в качестве эталона меры плотности, объёма и некоторых других характеристик для веществ, сама, как это не странно, является наиболее аномальным¹ среди них. Рассмотрим основные аномалии воды.

Плотность воды

Плотность (ρ) — величина, определяемая для однородного вещества его массой в единице объёма:

ρ = .

Плотность — величина, обратная удельному объёму (объёму, занимаемому единицей массы вещества)

Единица плостности в системе СИ — кг/м³, в системе СГС — г/см³ (или для жидких веществ — г/мл). Плотность ρ и удельный вес γ связаны между собой отношением

γ = а ρ g,

где g — местное ускорение свободного падения тела;

а — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения

          Вещества, как правило, при нагревании увеличивают свой объём и уменьшают плотность. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до 4 ⁰С, когда с возрастанием температуры объём воды не увеличивается, а, наоборот, уменьшается. Максимальная плотность воды отмечается при ~4 ⁰С, а точнее 3,98 ⁰С. Таким образом, для воды зависимость между объёмом и температурой не однозначна (как в нормальных условиях для других веществ), а однозначна. Например, при 3 и 5 ⁰С масса воды занимает один и тот же объём, так же как и при 0, 2 и 8 ⁰С и т.д. Несмотря на указанную аномалию, вода служит эталоном плотности при 3,98 ⁰С, когда 1 см³ (1 мл) её имеет массу 1 г. По отношению к плотности дистиллированной воды можно определять плотность жидких и твёрдых, так называемую относительную плотность.

Ниже 0 ⁰С объём воды продолжает увеличиваться, но только при условии переохлаждения. Однако переохлаждение требует исключительных условий: полной неподвижности воды и отсутствия центров кристаллизации льда (например пыли, кристалликов льда).

Вода, лишённая растворенных газов, может быть переохлаждена до -70 ⁰С без превращения в лёд. При лёгком встряхивании либо при введении льдинки или другого центра кристаллизации она мгновенно превращется в лёд и температура её подскакивает (на 70 ⁰С) до 0 ⁰С. Вода также может быть доведена до 150 ⁰С без закипания. При введении в такую перегретую воду пузырька воздуха она мгновенно вскипает и температура ее падает до 100 ⁰С.

При переходах вещества из однго агрегатного состояния в другое плотность изменяется скачкообразно: резко уменьшается при переходе в газообразное состояние и, как правило, увеличивается при затвердевании. Плотность воды, также как и у чугуна, аномально уменьшается при переходе из жидкой фазы в твёрдую.

При затвердевании объём воды возрастает внезапно примерно на 9% и так же внезапно, скачком, уменьшается в обратном направлении при таянии льда при 0 °С. При затвердевании воды в замкнутом пространстве и превращении её в лёд происходит расширение объёма, что приводит к возникновению избыточного давления, достигающего 2500 кгс/см2. Именно этим объясняются как разрушительная сила замерзающей воды в замкнутых пустотах и трещинах горных пород, откалывающая подчас многотонные глыбы и дробящая их в дальнейшем на мелкие осколки, так и страшные взрывы наледей, а также разрывы водопроводных труб при замерзании в них воды.

Рассмотренные выше процессы происходят при указанных температурах лишь при условии атмосферного давления, равного 1 атм.

С увеличением давления температура затвердевания воды понижается примерно на 1 °С через каждые 130 атм. Так, при давлении 500 атм, затвердевание воды наступает при температуре -4 °С, а при давлении 2200 атм - при -22 °С. Эта зависимость для воды аномальна, так как у других веществ, наоборот, с ростом давления температура замерзания повышается. Подобная аномалия[21] воды очень важна в природе.

Даже без учёта растворённых в воде солей на больших глубинах в океане вода не затвердевает. Например при температуре -3 °С она не затвердевает даже на глубине около 4000 м, а на больших глубинах, тем более.          

С повышением температуры плотность жидкой воды понижается: на интервале от максимальной плотности при 3,98 ⁰С, равной 1, до температуры кипения воды 100 °С - на 4 % (от 1 до 0,95838 г/мл).

С повышением минерализации воды, то есть количества содержащихся в ней минеральных веществ, повышается и температура, при которой вода имеет максимальную плотность. Так, например, на поверхности океана плотность воды 1,02813 г/мл, а на глубине 10 км 1,07104 (разница 0,04291,или 4 %).

Таким образом, установившееся мнение о практической несжимаемости воды справедливо только для сравнительно малых давлений. Если бы вода была совершенно несжимаема, уровень Мирового океана поднялся бы на 30 м. В этом случае, например, большая часть Санкт - Петербурга была бы затоплена.

Плотность воды находят посредством точного определения её массы и объёма с помощью различных типов плотномеров. Различают плотномеры весовые (например, пикнометр), статические (например, ареометр) и динамические (эффузиометр).