Динамическая вязкость (внутреннее трение) воды

 

Вязкость - свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.

Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном (1687):

                                         F = η       S,

 

где F – тангенциальная (касательная) сила, вызывающая сдвиг слоёв жидкости (газа) друг относительно    друга;

S – площадь слоя, по которому происходит сдвиг;

 

            - градиент[29] скорости течения (быстрота изменения её от слоя к слою), иначе — скорость

 

сдвига.

 

η - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости или просто вязкостью. [Он характеризует сопротивление жидкости (газа) смещению её слоев. Величина φ = 1/η называется текучестью].

 

(рис.__.)

Схема однородного сдвига (вязкого течения) слоя жидкости высотой h, заключённого между двумя твёрдыми пластинками, из которых нижняя (А) неподвижна, а верхняя (В) под действием тангенциальной силы F движется с постоянной скоростью υ₀; υ(z) - зависимость скорости слоя от расстояния z до неподвижной пластинки

 

 

В системе СИ единица динамической вязкости - Па ∙ с.

Наряду с динамической часто рассматривают так называемую кинематическую вязкость:

 

ν= η/ρ, где ρ — плотность вещества,

которая измеряется м²/с.

 

Вязкость жидкостей и газов определяется вискозиметрами [30]

Вязкость некоторых жидкостей при 20 ⁰С (∙10^-3 Па ∙ с[31])

Вода                        1,002

Этиловый спирт     1,200

Ртуть                        1,554

Глицерин                ~1500

 

Расплавленные металлы имеют вязкость того же порядка, что обычные жидкости (от 0,6 у натрия Na и калия K при температуре около 200 °С до ~ 1 у висмута Bi и олова Sn при 600 ⁰С и ~ 2 у железа Fe при 1350 °С).

В жидкостях вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может приникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы.

 

С повышением температуры вязкость жидкостей резко снижается и увеличивается при повышении давления.

Вязкость жидкости зависит от химической природы молекул. Вязкость сходных химических соединений (насыщенные углевороды, спирты, органические кислоты и т.д.) возрастает с возрастанием молекулярной массы. Например, высокая вязкость смазочных масел объясняется наличием циклических молекул (нафтенов, например, циклопентанов и циклогексанов).

Смесь нереагирующих друг с другом жидкостей с различными вязкостями имеет среднее значение вязкости. Если же при смешивании образуется новое химическое соединение, то вязкость смеси может быть в десятки раз больше, чем вязкость исходных жидкостей.

Возникновение в дисперсных системах или растворах полимеров пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение вязкости. При течении "структурированной" жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной вязкости, но и на разрушение структуры.

Вязкость воды имеет очень большое значение при процессах фильтрации через пористые среды (например, песок). Вязкость минерализованных и тем более рассольных вод при тех же температурал значительно повышается. При 0°С динамическая вязкость воды - 1,789 мПа ∙ с¹, а при 100 °С только 0,282, то есть более чем в 6 раз меньше. Для сравнения приведём вязкость ртути, которая при 0 °С равна 1,69, а при 100 °С — 1,22 мПа ∙ с, то есть всего в 1,4 раза меньше. Вязкость водяного пара при 15 °С - всего 0,98 мПа • с, то есть в 180 раз меньше, чем у воды при той же температуре. Вязкость воды при 20,5 °С равна 1 мПа ∙ с. В таблице приведены значения динамической вязкости некоторых жидкостей при 20 °С (в мПа • с).

Как влияет давление на вязкость воды? По данным П. Бриджмена[32] если принять за единицу вязкость воды при 0 °С и давлении 1 атм, то относительная вязкость (к этой единице) будет изменяться при изменении температуры и давления (табл. 4).

 

Таблица 4

Относительная вязкость воды

Давление, атм	Вязкость
	При 0 °С	При 75 °С
1	1	0,222
2000	0,957	0,258
6000	1,317	0,367
8000	лёд	0,445

 

1 3.1.8. Испарение, транспирация, сублимация и конденсация воды

 

Испарение — переход вещества из жидкого или твёрдого состояния в газообразное (или в пар). Обычно под испарением понимают  переход жидкости в пар, происходящий на свободной поверхности жидкости.

Пар - термин, обозначающий газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой (твёрдой) фазой того же вещества. Как правило, этот термин применяют в тех случаях, когда фазовое равновесие осуществляется при температурах Т и давлениях р, характерных для обычных природных условий (говорят, например, о парах спирта, бензола, йода и  нафталина). Для многих физических задач понятия "пар" и "газ" эквивалентны.

Различают следующие виды состояний пара химически чистых веществ: насыщенный пар - пар при температуре Т и давлении р насыщения; ненасыщенный пар (перегретый) - пар при Т > Т_насыщ. для данного р и, следовательно, с плотностью, меньшей, чем у насыщенного пара; пересыщенный пар - пар, имеющий давление больше, чем р_насыщ. при той же температуре.

Переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое состояние, называется возгонкой или сублимацией.

Испарение воды с поверхности наземных органов растений носит название транспирации.

Вследствие теплового движения молекул испарение возможно при любой температуре, но с возрастанием температуры скорость испарения увеличивается.

В замкнутом пространстве (закрытом сосуде) испарение происходит при заданной постоянной температуре до тех пор, пока пространство над жидкостью (или твёрдым телом) не заполнится насыщенным паром. Давление насыщенного пара р_насыщ. зависит только от температуры Т и повышается с её возрастанием. Кривая зависимости р_насыщ. от Т называется равновесной кривой испарения (рис.__.).

Если р_насыщ. становится равным внешнему давлению или несколько его превышает, то испарение переходит в кипение. Наиболее высокой температурой кипения является критическая температура данного вещества. Критические температура и давление определяют критическую точку - конечную точку на равновесной кривой испарения. Выше этой точки сосуществование двух фаз - жидкости и пара - в равновесии невозможно.

 

Рис.__. Зависимость давления насыщенного пара некоторых жидкостей от температуры

 

При переходе из жидкости в пар молекула должна преодолеть силы молекулярного сцепления в жидкости. Работа против этих сил (работа выхода), а также против внешнего давления уже образовавшегося пара, совершается за счёт кинетической энергии теплового движения молекул. В результате испарения жидкость охлаждается. Поэтому, чтобы процесс испарения протекал при постоянной температуре, необходимо сообщать каждой единице массы вещества определённое количество теплоты λ (Дж/кг или Дж/кмоль), называемой теплотой испарения. Теплота испарения уменьшается с ростом температуры, особенно быстро вблизи критической точки, обращаясь в этой точке в нуль.

Теплота испарения связана с производной давления насыщенного пара по температуре уравнением Клапейрона-Клаузиуса (см. со с. 1 «б»), на основе которого определяются численные значения λ для жидкостей.

Скорость испарения резко снижается при нанесении на поверхность жидкости достаточно прочной плёнки нелетучего вещества.

Испарение жидкости в газовой среде, например в воздухе, происходит медленнее, чем в разреженном пространстве (вакууме), так как вследствие соударений с молекулами газа часть частиц пара вновь возвращается в жидкость (конденсируется).

При процессе, обратном испарению, то есть при образовании из пара жидкой фазы (конденсация пара), происходит выделение теплоты испарения.

Испарение применяется в технике как средство очистки веществ или разделения жидких смесей перегонкой (дистилляцией). Процесс испарения лежит в основе работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС), холодильных установок, а также всех процессов сушки веществ и материалов.

В естественных условиях испарение является единственной формой передачи влаги с океанов и суши в атмосферу и основной составляющей круговорота воды на земном шаре.

Скорость испарения определяется массой жидкости, испаряющейся за единицу времени с единицы поверхности.

За счёт испарения происходит охлаждение воды атмосферным воздухом в градирнях [33] , которое

применяется главным образом в системах циркуляционного (оборотного) водоснабжения промышленных предприятий.

Одной из количественных характеристик процесса испарения воды в атмосферу является дефицит влажности, определяемый разностью между предельной упругостью водяного пара для данной температуры и фактической упругостью.

Если воздух в помещении предельно насыщен парами воды или, если из наполненного до краёв сосуда (стакана) вода не убывает, но и не прибывает, это значит, что испарение отсутствует, то есть имеет место состояния динамического равновесия.

До последнего времени считалось, что лёд может переходить в пар, минуя жидкую фазу, то есть происходит процесс сублимации. Однако это далеко не так. В действительности поверхность льда покрыта даже при отрицательных температурах переохлаждённой квазижидкой[34] плёнкой связанной воды. Таким образом, испаряется не лёд, а непрерывно пополняющаяся плёночная жидкая вода за счёт подплавления льда. Это обстоятельство имеет большое значение при строительстве подземных хранилищ в условиях многолетнемёрзлых грунтов.

 

3.1.9.Изотопные развновидности воды

 

?

Атомы водорода и кислорода, образующие воду (оксид водорода) могут иметь различные массовые числа и отличаться друг от друга своими физико-химическими свойствами, но при этом они имеют одинаковый электрический заряд атомных ядер и поэтому занимают в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева одно и то же место. Такие разновидности атомов одного и того же химического элемента называются нуклидами. Известны шесть нуклидов водорода и пять нуклидов кислорода. Правда три нуклида водорода ⁴Н, ⁵Н и ⁶Н, а также два нуклида кислорода ¹⁴0 и ¹⁵0 радиоактивны и очень короткоживущие. Например, длительность существования нуклида ⁴Н - 4 ∙ 10^-11 с.

Природный водород состоит из трёх стабильных нуклидов: протия ¹Н (с относительной атомной массой 1), дейтерия ²Н или D (с относительной атомной массой 2) и mpumuя ³Н, или Т, (с относительной атомной массой 3), наиболее тяжёлый тритий но слаборадиоактивен

(его период полураспада 12,3 года), и природный кислород состоит из трех нуклидов: ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О. Эти шесть нуклидов могут образовывать 18 изотопических разновидностей воды: H₂^l6О; HD^l6О; D₂¹⁶О; НТ¹⁶О; DT¹⁶О; Т₂¹⁶О; H₂^l7О; HD¹⁷О; D₂^l7О; HT¹⁷О; DT¹⁷О; T₂¹⁷О; H₂¹⁸O; HD^l8О; D₂¹⁸O; HT^l8О; DT¹⁸O; T₂¹⁸О.

Тритий и кислород-17 обнаружены в природных водах только в виде следов, а дейтерий и кислород-18 — в ощутимых количествах.

Существует 9 устойчивых изотопных разновидностей воды. Содержание их в воде в среднем следующее (мол.  %): в земных водах содержится "лёгкой" воды Н₂¹⁶О - 99,75; тяжёлой кислородной Н₂¹⁸О - 0,18, Н₂¹⁷О - 0,04 и тяжёлой водородной - 0,017. Разумеется, это приближённые усреднённые данные. На Земле на 6800 атомов протия приходится один атом дейтерия, а в межзвёздном пространстве один атом дейтерия приходится на 200 атомов протия.

Дейтерий образуется при расщеплении ядер гелия, когда они сталкиваются друг с другом и происходит захват нейтрона протоном. Атмосферная вода в процессе круговорота обогащается дейтерием в результате диссипации (рассеяния) протия в космическое пространство. Именно благодаря этому дождевая вода более богата тяжёлым водородом.

Тритий может поступать в атмосферу в результате космических процессов, а также обогащать земную воду, правда, в очень небольших количествах, сверхтяжёлой водой.

Остальные 5 изотопных разновидностей присутствуют в воде в ничтожных количествах. Кроме стабильных разновидностей, в воде содержится небольшое количество радиоактивного ³H₂0 (или Т₂0). Изотопный состав природных вод разного происхождения несколько варьирует. Особенно непостоянно отношение ¹Н / ²Н: в пресных водах - в среднем 6900, в морской воде - 5500, во льдах - 5500-9000. По физическим свойствам D₂0 заметно отличается от обычной воды. Вода Н₂¹⁸О, по свойствам ближе к воде Н₂¹⁶О.

В атмосфере наблюдается некоторый избыток тяжёлого кислорода-18, поступающего в результате разложения растений, содержащих его в повышенных количествах.

Изотопические разновидности воды различаются прежде всего своими физико-химическими характеристиками.

Дейтерий обладает высокой гигроскопичностью, с жадностью поглощая влагу из воздуха и из стенок сосуда. Растворимость некоторых солей в тяжёлой воде заметно меньше, чем в обчной; с повышением содержания дейтерия отмечается уменьшение скорости некоторых химических реакций.

В воде не только не существует ''голых'', лишенных электронной оболочки положительно заряженных атомов водорода Н⁺ - протонов, и даже гидратированные протоны-ионы гидроксония Н₃О⁺, в действительности подвергаются дальнейшей гидратации и реально существуют в форме иона Н₉О₄⁺.

Из других соединений водорода с кислородом известны пероксид водорода Н₂О₂, гидроксид-моногидрат Н₃О₂^-, встреченный в облаках ионосферы, перигидроксив- НО₂^-. Эти в основном неустойчивые химические соединения при определённых температуре и давлении могут быть весьма устойчивыми. В особых условиях сама молекула воды может оказаться носительницей положительного заряда Н₂0⁺ или быть в возбуждённом состоянии.

Сообщалось о получении двух разновидностей воды, которые, однако, неустойчивы и просуществовали всего несколько часов при температуре -70 °С: это поливодород Н₂0₃ (структуры Н—О—О—О—Н) и гиперводород Н₂0₄ (структуры Н—О—О—О—О—Н).

Существует ещё две модификации водорода: ортоводород и параводород. В молекуле ортоводорода оба протона вращаются вокруг своей оси в одном и том же направлении, то есть имеют одинаковые ядерные спины. В молекуле параводорода протоны вращаются в противоположных направлениях. При 20 °С в обычном водороде содержится около 75 % молекул ортоводорода и лишь 25 % параводорода. Помимо ядерного существует и электронный спин. Суммарный эффект спинов обусловливает магнетизм атома, и наоборот, постороннее магнитное поле, в которое попадает молекула водорода, может изменять её ядерный спин. Существуют также модификации ортоводы и параводы с параллельными и антипараллельными спинами как атомных ядер, так и электронов.           

Чистый параводород (99,7 %) впервые был получен в 1929 г. немецкими учёными К. Бонхеффером и П. Гартеком. От ортоводорода он отличается температурами кипения и плавления, упругостью пара, другими физическими и химическими свойствами. При взрыве смеси параводорода с кислородом первый нацело переходит в обыкновенный водород. Аналогичные явления наблюдаются и для тяжёлой воды с различными ядерными и электронными спинами дейтерия. Отношение ортоводы к параводе в водяном паре равно 3:1, а в тяжёлой воде -2:1. Молекула воды является как бы несимметричным ротором. При этом наблюдается большая скорость перехода от ортоводы к параводе и наоборот, что сильно затрудняет исследования.     

Рассмотренные соединения водорода и кислорода требуют особых условий (температуры, давления и др.), но речь о них дальше идти не будет. Однако, ещё раз подчеркнём, что даже та идеальная, реально несуществующая вода без примесей других (кроме кислорода и водорода) химических элементов есть вещество исключительно сложное, очень далёкое от примитивного и привычного нам изображения в виде формулы Н₂О.

Вода - это смесь девяти видов молекул, поэтому в зависимости от их количественного соотношения все ее свойства, особенно плотность, изменяются (табл. 5).

 

Таблица 5

Плотность воды, полученной из разных источников, при температуре 4 °С

Вода	Плотность, г/мл
Снеговая	0,9999977
Дождевая	0,9999990
Речная	1,0
Океанская	1,0000015
Из живых организмов	1,0000012
Из растительных организмов	1,0000017
Кристаллизационная вода минералов	1,0000024

 

 

Эти сравнительно небольшие различия в плотности образцов химически чистой воды различного происхождения явственно улавливаются измерительными приборами.