Вода – Яка щільність води?

У побуті вода використовується для санітарно-побутових потреб. Вона також є теплопередавачем і може приймати його, зберігати та віддавати назад.

Щільність і в’язкість води – властивості води, важливі при вивченні питань, пов’язаних з течією в теплопроточних установках і пристроях. Вони є одними з даних, необхідних для розрахунків механіки рідини, і використовуються в основному проектувальниками теплових установок і пристроїв для кількісного опису явищ течії, що відбуваються в пристроях і установках.

Щільність води

Щільність — це відношення маси до об’єму, який займає дана маса.

Де:

• m – маса [кг]
• V – об’єм [м] ³

Щільність зазвичай позначають латинською буквою d або грецькою буквою ρ (rho). У міжнародній системі одиниць СІ одиницею щільності є [кг/м3], але вона також може бути виражена в [кг/л] або [г/м3 ^] .

У випадку з водою щільність непостійна і залежить від температури і тиску.

За нормального атмосферного тиску щільність води для даної температури можна визначити за формулою ^{1 , наведеною нижче.}

Де:

– t температура [K]

Загалом щільність рідини зменшується з підвищенням температури, але вода в цьому випадку поводиться аномально і досягає найвищої щільності при 4 градусах Цельсія.

Щільність води залежить від температури

Нижче наведена таблиця, що показує щільність води для конкретних значень температури при нормальному атмосферному тиску 1013,25 [гПа]:

Щільність води залежить від температури

За звичайних умов вода при 4OC має найбільшу густину, яка становить 1000 кг/м ³ , тому прийнято, що 1 літр води важить 1 кг.

В’язкість води

В’язкість є ще однією важливою властивістю рідини після густини. Воно виникає лише під час відносного руху прилеглих один до одного шарів рідини і зникає після його припинення. В’язкість полягає в утворенні дотичних напруг, які можна розглядати як сили внутрішнього тертя, коли тонкі шари рідини рухаються один над одним з різними швидкостями. В’язкість – це опір текучості, отже, чим нижча в’язкість, тим рідина рідкіша та текучіша. Вимірювання в’язкості рідини проводять за допомогою віскозиметрів (віскозиметрів).

Коефіцієнт динамічної в’язкості

Динамічна в’язкість, також відома як коефіцієнт динамічної в’язкості, є мірою в’язкості рідини в потоці з градієнтом швидкості. Він позначається грецькою літерою μ (mi) і виражає відношення напруги зсуву до швидкості зсуву:

Де:

– τ – напруга зсуву [Па],

– γ – швидкість зсуву [1/с]

Динамічна в’язкість позначається грецькою літерою μ (мі), а її одиницею СІ є [Па с] або [кг /(м⋅с)].

Кінематичний (кінетичний) коефіцієнт в’язкості

Кінетична (кінематична) в’язкість, звана кінематичним коефіцієнтом в’язкості, є відношенням динамічної в’язкості до густини:

Де:

– μ – динамічна в’язкість [кг /(м⋅с)]

– ρ – щільність [кг/м ³ ]

Кінетична в’язкість позначається грецькою літерою ν (ni), а її одиницею в СІ є [м ² /с].

В’язкість рідин, включаючи воду, залежить від структури їхніх молекул і ілюструє величину сил, які необхідно прикласти, щоб змусити потік. З підвищенням температури в рідинах відстань між частинками збільшується, що зменшує внутрішній опір течії, а отже, зменшується їх в’язкість.

В’язкість води залежить від температури

Нижче наведено таблицю, що показує динамічну в’язкість води для певних значень температури:

В’язкість води як функція температури

Властивості морської води – температура, солоність – географія

До фізичних властивостей води (особливо морської) належать: щільність, гідросферний тиск, прозорість води, температура води та її теплоємність, солоність води.

Щільність морської води становить близько 1,02474 г/см ³ і в кілька сотень разів перевищує щільність повітря. У результаті багато морських організмів, на відміну від птахів або літаючих комах, можуть вільно плавати у воді (планктон). У той же час така висока щільність середовища ускладнює пересування у воді, і більшість морських (і водних) плавців мають обтічні форми.

Температура вод океану в його поверхневих шарах становить в середньому 17,4 °С і коливається від -2 °С в полярних широтах до 30 °С біля екватора. Проте висока температура води в міжтропічних широтах поширюється лише на верхній 400-метровий шар вод океану, води якого інтенсивно перемішуються конвективними рухами. Під цим поверхневим теплим шаром знаходиться перехідна зона ( термоклін ), де температура води падає приблизно до 5°C. Таким чином, уся океанська глибина має температуру води трохи вище 0°C.


Вода має високу теплоємність. Тому він повільно нагрівається і повільно остигає. Це і велика площа поверхні океанів зумовлюють їх великий вплив на клімат Землі.

Сонячне світло проникає глибоко в океанську воду, але лише на певну глибину. У відкритому океані інтенсивність світла падає приблизно до 1% від поверхневого світла вже на глибині приблизно 50-80 м. Тільки в цьому верхньому шарі можуть розвиватися істоти, здатні до фотосинтезу.

Морська вода, в тому числі Від прісної вона відрізняється тим, що в ній розчинено набагато більше солі. Серед розчинених у воді солей найбільшу частку займає хлорид натрію – NaCl (бл. 78%). Це призводить до того, що морська вода має солоно-гіркий смак. Солоність моря – це загальна мінералізація морської води. Ми виражаємо їх у грамах твердих речовин, розчинених в 1 кілограмі води, тобто в проміле (‰)– тисячні частки цілого. Середня солоність морів і океанів становить близько 35‰, біля екватора вона трохи підвищується (39‰), а на полюсах, де тануть прісні води льодовиків і льодовикових покривів, знижується (34,5‰). Внутрішні моря найбільш солоні в умовах жаркого сухого клімату (наприклад, Червоне море – 45‰). Там дуже сильне випаровування води, що посилює концентрацію розчину. Води внутрішніх морів найменш солоні у вологому кліматі, де морські басейни роздуваються припливом річкових вод (солоність у Ботнічній затоці Балтійського моря становить лише близько 2‰).

Щільність морської води

Щільність морської води залежить від температури і солоності. Коли вода стає теплішою, її щільність зменшується, а тому її об’єм збільшується. Тиск – це вага стовпа води, тому, враховуючи його щільність, його легко обчислити, і ми не будемо аналізувати його далі. Температуру та солоність (і, отже, щільність) океанської води та океанських течій зараз дуже точно контролюють завдяки дослідженням, які занурюються глибоко в океан, вільно дрейфують на певній глибині протягом певного часу, а потім вимірюють вертикальні профілі цих параметрів у міру їх появи. Ми також спостерігаємо за допомогою супутників і наземних спостережень за рівнем моря в різних місцях земної кулі. Зараз через глобальне потепління ми спостерігаємо підвищення рівню океану із середньою швидкістю близько 3,4 мм на рік. Баланс маси льодовиків і вимірювання ARGO показують, що основною причиною цього збільшення (понад 60%) є танення наземних льодовиків. Однак приблизно 1/3 підвищення рівня моря відбувається за рахунок теплового розширення води. Частка, що залишилася, менше 10%, припадає на використання невідновлюваних (повільно відновлюваних) підземних вод, які потрапляють в океани з річками або дощем.

Оскільки процеси випаровування з поверхні океанів, стікання води з льодовиків, приплив і відтік теплової енергії розподіляються в просторі нерівномірно, а складні океанічні кругообіги і процеси змішування, що змінюються в часі і просторі, відбуваються повільно – вони не «встигає» за гомогенізацією температури і солоності морської води – цей розподіл температури і солоності, а отже, і щільності води в морях дуже неоднорідний. З цієї причини ми спостерігаємо значні відмінності в просторовому розподілі тенденції підвищення рівня моря.

Щільність води залежить від температури

Таблиця щільності води при температурах в діапазоні 0 – 100 градусів С при нормальному тиску.

Густина – це відношення маси обраної кількості речовини до об’єму, який вона займає. Вода – це рідина зі змінною густиною. Його концентрація або розрідження тісно пов’язані з температурою і тиском, але не залежать від сили тяжіння.

Максимальна щільність води досягається, коли вона досягає температури 4º Цельсія. Вище і нижче цього рівня щільність H₂O буде нижчою. Висота тиску також має велике значення – при нормальних умовах і значеннях 1013,25 гПа щільність води становить рівно 1000 кг на м³. Цей важливий факт дозволяє швидко розрахувати вагу цієї рідини – кожен її літр важить близько 1 кг. Щільність разом з в’язкістю води є одними з найважливіших характеристик цієї рідини.

Щільність води зазвичай позначають літерою d або грецьким символом ρ. Розраховується за формулою d = m/V, де d — щільність води, m — маса зразка, V — об’єм, який займає досліджувана рідина. Одиницею щільності в СІ є кілограм на кубічний метр (кг/м³). Його також можна назвати кілограмом на літр (кг/л) і грамом на кубічний сантиметр (г/см³). Приклад густини води при 25 градусах становить 997,07 кг/м3 ^{, а} при 20 градусах — 998,23 кг/м3.

Щільність води – табл

Нижче наводимо таблицю (таблицю), в якій представлені зміни щільності води в залежності від температури. Температуру виражають у градусах Цельсія, а щільність – у кілограмах на кубічний метр.

Таблиця щільності води

Щільність води залежить від температури. Таблиця.

У таблиці наведено значення щільності води в г/мл для різних температур в інтервалі від 0 до 100 °С.

Щільність дистильованої води з різних джерел при 4 с

У той же час очевидно, що склад молекул води Н ₂ Про не залежить від способу отримання (ставлення числа атомів Н до атомів Про завжди 2 : 1).

Отже, закон сталості складу суворо виконується лише молекул !

приклад 2.3. Обчисліть значення масових часток елементів у сірчистій кислоті.

Рішення. Масова частка елемента в речовині може бути обчислена за такою формулою:

,

де (Е) – кількість даного елемента в 1 моль речовини.

Молярна маса сірчаної кислоти:

M(H ₂ SO ₄ ) = 2М(H) + М(S) + 4М(O) = 2 + 32 + 64 = 98 (г/моль).

Масові частки елементів у сірчаній кислоті:

= 0,02, або 2%; = 0,33, чи 33%; = 0,65, чи 65%.

Приклад 2.4. Визначте найпростішу формулу одного з оксидів сірки, якщо масова частка кисню у ньому дорівнює 50%.

Рішення. Масова частка сірки в оксиді:

(S) = 100 – 50 = 50%.

Знайдемо відношення кількостей сірки та кисню ¹ :

(S) : (O) = : = : = 1,56 : 3,13 = 1 : 2.

Отже, найпростіша формула оксиду – _SO2 .

2.3. Закон об’ємних відносин. Закон Авогадро

Закон об’ємних відносин газів було відкрито Ж. Л. Гей-Люссаком. Вже 1805 р. Гей-Люссак і А. фон Гумбольдт, вивчаючи відносини обсягів реагуючих газів, встановили, що обсяг кисню з’єднується з двома обсягами водню. Ця робота була тісно пов’язана з подальшими дослідженнями газових реакцій Гей-Люссаком. Результати своїх робіт він опублікував у 1808 р. у статті “Про з’єднання газоподібних тіл один з одним”. Він хотів «довести, що газоподібні тіла з’єднуються один з одним у дуже простих відносинах і що зменшення обсягу, яке спостерігається під час реакцій, підпорядковується певному закону».

Сформульоване Гей-Люссаком узагальнення відоме під назвою закону простих об’ємних відносинабо «хімічного» закону Гей-Люссака:

Обсяги вступають у реакцію газів за однакових умов (температурі та тиску) відносяться один до одного і до обсягів газоподібних продуктів реакції як прості цілі числа.

Наприклад, у реакції

H ₂ + Cl ₂ = 2HCl V(H ₂ ) : V(Cl ₂ ) : V(HCl) = 1 : 1 : 2.

У 1810 р. у другій частині своєї роботи “Нова система хімічної філософії” Дальтон рішуче виступив проти відкритого Гей-Люссаком закону, побачивши в ньому не підтвердження, а загрозу атомістичній гіпотезі. Дальтон багато міркував на цю тему. Спочатку він навіть припускав, що в одному обсязі кисню міститься стільки ж атомів, скільки і в одному об’ємі водню. «Однак пізніше я став дотримуватись іншої думки, і до цього привів мене такий аргумент: один атом оксиду азоту складається з одного атома азоту та одного атома кисню. Тепер, якщо в однакових обсягах міститься однакове число атомів, то при взаємодії одного об’єму азоту з одним об’ємом кисню повинен утворитися один об’єм оксиду азоту, але, згідно з даними Генрі, утворюються приблизно два обсяги; тому оксид азоту у тому обсязі може містити лише половину атомів (проти азотом і киснем)».

Деякі інші дані, здавалося, також суперечили атомістичній гіпотезі. Наприклад, згідно з уявленнями Дальтона, щільність монооксиду вуглецю як речовини, що складається з двох атомів, повинна бути більшою за щільність кисню як речовини, що складається з одного атома, проте насправді вона менша. Так само щільність парів води виявилася меншою за щільність кисню.

Ні Дальтону, ні Гей-Люссаку не вдалося пояснити протиріччя між атомістичною гіпотезою та газовими законами.

Ці протиріччя було усунуто 1811 р. А. Авогадро. У роботі «Нарис методу визначення відносних мас елементарних молекул тіл і пропорцій, згідно з якими вони входять до сполук», він пояснив прості відносини між обсягами газів, що спостерігаються при хімічних реакціях, сформулювавши закон, названий згодом його ім’ям:

У рівних обсягах різних газів за однакових умов (температури та тиску) міститься рівне число молекул.

Із закону Авогадро випливають важливі наслідки:

1. За однакових умов 1 моль будь-якого газу займає однаковий об’єм. Так, за нормальних умов (Т = 273,15 К, p = 101325 Па):

V _m (газу) = 22,4 л/моль (н. у.).

2. Молярна маса речовини в газоподібному стані дорівнює його подвоєної щільності водню.

Відносна щільність газу – це число, що показує, у скільки разів один газ важчий за інший.

Наприклад, відносна щільність газу Х газу Y:

DY ₍ Х) = = .

Найчастіше щільність газів визначають по відношенню до водню або повітря (подумайте, чому):

-Відносна щільність газу Х по водню;

-відносна щільність газу Х повітрям,

де – середня молярна маса.

За відносними щільностями можна розраховувати молярні маси речовин. Так:

, Отже, M(Cl ₂ ) = 2· .

приклад 2.5. Який обсяг кисню потрібний для спалювання 4 м ³ етану? Який обсяг вуглекислого газу утворюється при цьому?

Рішення: запишемо рівняння реакції горіння етану:

2С ₂ Н ₆ + 7О ₂ = 4СО ₂ + 6Н ₂ О

Гази, що беруть участь у реакції, знаходяться за однакових умов, тому для розрахунку їх обсягів не обов’язково знаходити кількість речовин, а можна застосувати закон Гей-Люссака та перше слідство із закону Авогадро.

По рівнянню реакції:

для спалювання 2 обсягів З ₂ Н ₆ необхідно 7 обсягів О ₂

а спалювання 4 м ³ З ₂ Н ₆ – V м ³ Про ₂ .

V(O ₂ ) = 4 ∙ 7 / 2 = 14 (м ³ ).

Аналогічно розраховуємо обсяг вуглекислого газу, що отримується в реакції:

при спалюванні 2 обсягів ₂ Н ₆ утворюється 4 обсяги ₂ ,

а при спалюванні 4 м ³ З ₂ Н ₆ – V м ³ СО ₂ .

V(СО ₂ ) = 4 ∙ 4 / 2 = 8 (м ³ ).

приклад 2.6. Щільність оксиду азоту воднем дорівнює 23. Чому дорівнює щільність цього газу повітрям?

Рішення. Знаючи щільність оксиду азоту воднем, можна розрахувати його молярну масу:

М(N _x O _y ) = (N _x O _y ) ∙ М(H ₂ ); М(N _x O _y ) = 23 ∙ 2 = 46 (г/моль ) .

Щільність цього газу повітрям дорівнює:

= 1,6.

приклад 2.7. Знайдіть середню молярну масу та щільність (при н. у.) повітря, що має об’ємний склад: 20,0% О ₂ ; 79,0% N ₂ , 1% Ar.

Рішення. Оскільки обсяги газів пропорційні до їх кількості (закон Авогадро), то середню молярну масу суміші газів можна виражати не тільки через кількості, а й через обсяги:

.

Візьмемо 100 л суміші та обчислимо об’єм кожного компонента за формулою:

V(газу) = (газу) ∙ V(суміші),

де  – об’ємна частка, виражена у частках одиниці.

V(O ₂ ) = 0,20 ∙ 100 = 20 (л); V(N ₂ ) = 0,79 ∙ 100 = 79 (л); V(Ar) = 0,01 ∙ 100 = 1 (л).

Підставляючи ці значення формулу, отримаємо:

= 28,9 (г/моль).

Щільність за нормальних умов дорівнює молярній масі, поділеній на молярний об’єм:

 = ; (повітря) = = 1,29 (г/л) = 1,29∙10 ^–3 (г/см ³ ).

приклад 2.8. Щільність суміші кисню та озону по водню дорівнює 17. Визначте масову та об’ємну частку кисню у суміші.

Рішення. Середня молярна маса цієї суміші газів:

М? (суміші) = ∙ М (Н ₂ ); М? (суміші) = 17 ∙ 2 = 34 (г/моль).

Нехай у суміші міститься х моль О ₂ і моль О ₃ . Співвідношення між х і у можна знайти через середню молярну масу:

; = 34 (г/моль).

З отриманого виразу знаходимо х = 7у.

Таким чином, співвідношення кількостей кисню та озону в суміші:

(О ₂ ) = 7 ∙ (О ₃ ).

За законом Авогадро обсяги газів прямо пропорційні їх кількості, тому об’ємна частка газу в суміші завжди дорівнює його мольній частці:

(Про ₂ ) = = ;

(О ₂ ) = = 0,875 (або 87,5%).

Знайдемо масову частку кисню у суміші:

m(O ₂ ) = (О ₂ ) ∙ M(O ₂ ); m(O ₂ ) = 32х = 32 ∙ 7у = 224у;

m(O ₃ ) = (О ₃ ) ∙ M(O ₃ ); m(O ₃ ) = 48у.

(О ₂ ) = ;(О ₂ ) = = 0,824 (або 82,4%).