Наибольшая плотность пресной воды при температуре: Температура и плотность пресной воды

Содержание

Наибольшая плотность и температура замерзания воды

Пресная вода приобретает наибольшую плотность при температуре +4°. По мере понижения температуры пресной воды до 4° плотность ее увеличивается, достигает наибольшей величины при 4°, и при дальнейшем охлаждении плотность ее начинает уменьшаться.

В морской воде температура, соответствующая наибольшей плотности ее, находится в зависимости от степени солености воды; с увеличением солености температура наибольшей плотности понижается.

Температура замерзания пресной воды равна 0°, в морской же воде она зависит от степени солености, чем последняя больше, тем и температура замерзания ниже.

Таким образом, оказывается, что и температура наибольшей плотности и температура замерзания морской воды – обе зависят от степени солености, и с увеличением последней обе тоже понижаются, но только не одинаково быстро: понижение температуры наибольшей плотности идет быстрее. Зависимость между этими двумя свойствами морской воды и ее соленостью видна из следующей таблицы:

Отсюда видно, что при солености 24,695‰ температуры наибольшей плотности (6) и замерзания (т) сравниваются, и при больших соленостях температура наибольшей плотности уже ниже температуры замерзания. Иначе говоря, при соленостях более 24,7‰ морская вода до самого момента замерзания становится все тяжелее и тяжелее, тогда как пресная вода или мало соленая – обратно. Влияние этих условий на замерзание морской воды подробнее разобрано далее в статье о льдах в океанах.

~1~ ~2~ ~3~ ~4~ ~5~ ~6~ ~7~ ~8~ ~9~ ~10~ ~11~ ~12~ ~13~ ~14~ ~15~ ~16~ ~17~ ~18~ ~19~ ~20~ ~21~ ~22~ ~23~ ~24~ ~25~ ~26~ ~27~ ~28~ ~29~ ~30~ ~31~ ~32~ ~33~ ~34~ ~35~ ~36~ ~37~ ~38~ ~39~ ~40~ ~41~ ~42~ ~43~ ~44~ ~45~ ~46~ ~47~ ~48~ ~49~ ~50~ ~51~ ~52~ ~53~ ~54~ ~55~ ~56~ ~57~ ~58~ ~59~ ~60~ ~61~ ~62~ ~63~ ~64~ ~65~ ~66~ ~67~ ~68~ ~69~ ~70~ ~71~ ~72~ ~73~ ~74~ ~75~ ~76~ ~77~ ~78~ ~79~ ~80~ ~81~ ~82~ ~83~ ~84~ ~85~ ~86~ ~87~ ~88~ ~89~

Температура наибольшей плотности воды — Энциклопедия по машиностроению XXL

Литр (л) ( ) — единица объема, вместимости. Решением III Генеральной конференции по мерам и весам (1901 г.

) литр был определен как объем 1 кг чистой, свободной от воздуха воды при давлении 760 мм рт.ст. и температуре наибольшей плотности воды (4°С). При таком определении 1 л=1,000028-10- м (ГОСТ 7664—55). В настоящее время литр определяется точно равным 1дм . 1л = 10- м . [c.205]

С повышением температуры плотность жидкостей, как правило, уменьшается. Некоторым исключением из этого общего правила является вода при температуре от О до 4° С. В этом интервале температур наибольшую плотность вода имеет при 4″ С (табл. 1.2). [c.9]

Единицей вместимости в титриметрическом анализе является литр, т. е. объем, занимаемый массой воды в 1 кг при температуре наибольшей плотности воды 4° С (точнее [c.89]

Таблица 44.21. Зависимость температуры замерзания т, °С, и температуры наибольшей плотности 0, °С, от солености S, океанической воды [30]

Следовательно, относительная плотность воды d—это отношение плотности воды при заданной температуре к наибольшей плотности воды, соответствуюш,ей t= +3,98° С.

Тогда зависимость относительной плотности воды от температуры при атмосферном давлении характеризуется данными, приведенными в табл.2. [c.13]

Вопрос о взаимном расположении этих изобар на начальном участке осложняется известной аномалией воды, температура наибольшей плотности которой в широком диапазоне давлений (примерно до 300 бар) несколько выше 0°С. Например, при нормальном давлении она равна 3,98 °С. В связи с этим изобары воды начинаются ниже начала нижней пограничной кривой (тем дальше от него, чем выше давление), пересекают ее на участке от О до 4 С, а затем отходят от нее, тем дальше, чем выше давление.

[c.119]

Наибольшая плотность воды (при температуре +3,98° С) 1,0000 г/л = = 0,999973 г/5ж . [c.449]

С увеличением температуры плотность жидкости, как правило, уменьшается. Некоторым исключением из этого общего правила является вода в интервале температур от О до 4° С, имеющая наибольшую плотность при 4 С.

[c.12]

Одновременно с метром была введена единица веса — килограмм ), определенная вначале как вес кубического дециметра воды при температуре ее наибольшей плотности 4 °С. Подобно тому как для сохранения метра была изготовлена образцовая линейка, так и для [c.45]

Вода имеет наибольшую плотность при температуре 4° С, ввиду чего это значение температуры принято в качестве исходного при ее характеристиках. При убывании или возрастании температуры от 4° С плотность воды убывает. [c.13]

Необходимо отметить, что вода в отличие — от большинства других жидкостей при повышении температуры от 0° С до 4° С уменьшается в объеме и только при нагревании выше 4° С объем ее начинает увеличиваться. Следовательно, вода имеет наименьший объем, а значит, и наибольшую плотность при 4° С.

[c.25]

Другой важной основной единицей в механике является килограмм.

При становлении метрической системы мер в качестве единицы массы приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С). Изготовленный при этом первый прототип килограмма представляет собой платиноиридиевую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Данное определение эталона килограмма действует до сих пор. [c.37]

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от О до 4° С уменьшается. При 4° С вода имеет наибольшую плотность н наибольший удельный вес при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Коэффициент 13( воды увеличивается с возрастанием давления при повышении ее температуры от О до 50° С и уменьшается с возрастанием давления при дальнейшем повышении ее температуры. Однако Б расчетах многих сооружений при незначительном изменении температуры воды и давления изменением коэффициента

[c.6]

Относительная плотность (ранее относительный удельный вес) — отвлеченное число, равное отношению- массы тела к массе равного объема воды обозначается буквой с , обычно с двумя индексами, из которых верхний указывает температуру тела, а нижний —температуру воды, например ( 1″. Так как при температуре 4 С (точнее, 3,98 °С) вода имеет наибольшую плотность, равную 1 ООО кг/м , то величина любого тела при те.мпературе Т, отнесенная к плотности воды прн 4 °С, численно равна 1/1 ООО плотности того же тела при той же температуре Т, кг/м . Соотношение значений й одного и того тела при одной и той же температуре, отнесенных к плотностям воды при 20 и 4 °С

[c.562]

Наибольшая плотность пресных вод будет при температуре 4°С [c.13]

В солоноватых водных бассейнах по мере увеличения количества растворенных солей температура воды с наибольшей плотностью понижается. При солености 24,7%о она становится равной температуре замерзания (в данном случае —1,3°С). При солености, превышающей 24,7%о температура замерзания оказывается выше температуры при наибольшей плотности для вод с соленостью 35%о первая равна —1,9°С, а вторая —3,5°С. [c.13]

Удельный se — отвлеченное число, равное отношению массы тела к массе равного объема воды обозначается буквой d, обычно с двумя индексами, из которы-х верхний обозначает температуру, для которой задается удельный вес тела, а нижний — температуру воды, с которой сравнивается тело, например, 4 .

Так как при температуре 4 С вода имеет. наибольшую. плотность, равную 1 г/слЗ, то удельный вес любого тела при температуре t, отнесенный к воде при 4° С, численно, равен плотности того же тела при той же температуре t в г/см . Соотношение удельных весов одного и того, же тела при одной и той же температуре, отнесенных к воде при 20 и при 4 С, [c.76]

Пусть вода имеет какое-то давление и температуру 0°С. В нашем изложении будем исходить из того, что вода несжимаема примем t/J=0,001 м кг, где г/ —удельный объем воды при 0°С и любом давлении. На диаграмме pv точку, характеризующую это состояние, обозначим буквой а. Начнем нагревать воду в цилиндре, подводя к ней тепло извне, и будем делать это так, чтобы давление, под которым находится вода, оставалось постоянным, т. е. сохраняя постоянной внешнюю нагрузку на поршень. От нагревания температура будет повышаться, а объем воды— увеличиваться (пренебрегаем тем, что вода имеет наибольшую плотность при 4° С, а не при 0°С). При некоторой температуре, зависящей от того, при каком давлении ведется

[c.51]

Вода. Для соблюдения постоянства давления заключим 1 кг воды в цилиндр с подвижным поршнем (рис. 11). Пусть для простоты рассуждений температура ее будет 0° С и абсолютное давление р. Примем, что вода несжимаема и имеет наибольшую плотность не при 4° С, как это есть в действительности, а при 0° С удельный объем ее в этом состоянии составит Уо = 0,001 ж /кг, а плотность — ро = 1000 кг/ж . Для не очень высоких давлений можно считать, что и энтальпия в этом состоянии равна нулю, т. е. /о = = О кдж/кг (или о == О ккал/кг). При подводе тепла к воде температура ее и удельный объем будут увеличиваться, однако рост температуры прекратится, когда она достигнет некоторого значения, зависящего от принятого давления ( рис. 12). Эта температура называется температурой кипения. Характеристики воды и водяного пара приводятся обычно в специальных таблицах водяного пара. Сокращенные таблицы водяного пара приведены в приложении 1. [c.38]

Пусть в цилиндре находится 1 кг воды при температуре О °С, на поверхность которой с помощью поршня оказывается постоянное давление р. Объем воды, находящейся под поршнем, равный удельному объему при О °С, обозначим Vq (vq = 0,001 м /кг). Будем считать для упрощения, что вода является практически несжимаемой жидкостью и имеет наибольшую плотность при О С, а не при 4 (точнее 3,98 °С). При нагревании цилиндра и передаче теплоты воде температура ее будет повышаться, объем возрастать, и при достижении t = tn, соответствующей р = р , вода закипит и начнется парообразование. [c.76]

С и достигает наибольшего значения при 4 °С. При дальнейшем увеличении температуры ее плотность уменьшается. Такое характерное свойство воды объясняется особенностями ее молекулярного строения. [c.7]

При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы была принята масса 1 дм чистой воды при температуре ее наибольшей плотности ( 4 °С). В этот период были проведены точные определения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и в воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены. [c.64]

Изменение удельного веса капельных жидкостей в зависимости от температуры тождественно изменению их плотности — с увеличением температуры удельный вес уменьшается (исключением является вода, имеющая наибольший удельный вес при t = 4° С). [c.14]

Наибольшее распространение получили водотрубные утилизационные котлы, так как в газотрубных котлах велико сопротивление газового тракта и при резких колебаниях температуры газа в них возможны нарушения плотности вальцовочных соединений. При значительной мощности теплосиловой установки могут применяться водотрубные котлы-утилизаторы с принудительной циркуляцией воды. Газовое сопротивление водотрубных котлов-утилизаторов составляет 0,0098—0,0196 бар. На преодоление этого сопротивления затрачивается небольшая мощность теплосиловой установки. [c.260]

При колебаниях температуры и давления объемы ка-. пельных жидкостей изменяются незначительно,. поэтому для практических расчетов плотность, удельный вес и удельный объем таких жидкостей часто принимают постоянными. В качестве иллюстрации в табл. 1.1 приведены значения относительной плотности воды б, т. е. отношение плотности воды при какой-либо температуре к наибольшей плотности воды при температуре — -4 °С. [c.10]

Водородная шкала температур (Плотность ртути при 0° С равна 13,59504о+0,00005 г-сж-з, или 13,59542+0,00005 от наибольшей плотности воды) [c.181]

Плотность морской воды возрастает при охлаждении, и образование льда наступает при температуре выше температуры наибольшей плотности (табл. 5). Обратная картина имеет место при солености ниже 24,77оо (хлорность 13,7 /оо). Для такой воды температура температуры образования льда. [c.1167]

Таким образом, к середине 17 в. уже имелись чувствительные термометры, но еще не предпринималось серьезных попыток создания универсальной температурной шкалы. В 1661 г. сэр Роберт Саутвелл, который позднее стал президентом Королевского общества, привез из путешествия флорентийский спиртовой термометр. Роберт Гук, тогдашний секретарь Королевского общества, усовершенствовал итальянский прибор, введя в спирт для удобства красный краситель и сделав устоойство для нанесения шкалы. Гук опубликовал предложенный им метод в 1664 г. в книге Микрография . В ней он показал, как, исходя из первых принципов, можно изготавливать сравнимые термометры, не сохраняя строго постоянными их размеры, что пытались делать флорентийцы. Его метод был основан на равных приращениях объема с ростом температуры, начиная от точки замерзания воды. С какими трудностями достаются знания о фиксированных точках температуры при почти полном отсутствии информации, свидетельствует то, что Гук одно время пытался использовать две фиксированные точки в качестве точки замерзания воды. Он полагал, что температура, при которой начинает замерзать поверхность ванны с водой, отлична от температуры, при которой затвердевает вся ванна. Вероятно, его ввело в заблуждение то, что плотность воды максимальна вблизи 4 °С, вследствие чего в начале замерзания нижняя область ванны с неподвижной водой теплее, чем поверхность воды. Тем цр менее он создал шкалу, каждый градус которой соответствовал изменению объема рабочей жидкости его термометра примерно на 1/500 (что эквивалентно около 2,4 °С). Его шкала простиралась от —7 градусов (наибольший зимний холод) до +13 градусов (наибольшее летнее тепло). Эта шкала была нанесена на разнообразные термометры, которые градуировались по оригиналу, принятому Королевским обществом и калиброванному по методу Гука. Этот термометр, описанный Гуком на заседании Королевского общества в январе 1665 г., получил известность как эталон Грешем Колледжа и использовался Королевским обществом вплоть до 1709 г. Введенная таким образом шкала эталона [c. 30]

Положим, что имеется 1 кг воды при температуре 0 °С и давлении р. При этом давлении удельный объем воды равен и состояние воды в координатах р—v характеризуется точкой а (Рис. 1.14). Если, сохраняя давление постоянным (р = idem), к жидкости подводить теплоту, то, как показывает опыт, ее температура будет постепенно повышаться, а удельный объем несколько возрастать. Исключение здесь составляет вода в диапазоне температур 0—4 °С, где она имеет наименьший объем или наибольшую плотность, так что при нагревании от 0 С ее удельный объем вначале уменьшается, а затем вновь начинает расти. [c.62]

Асбест — минерал, способный расщепляться на тончайшие волокна, измеряемые долями мк. Волокна эластичны и при достаточной длине могут быть скручены в нить. Из всех разновидностей наибольшее значение имеет асбест хризотиловый (ГОСТ 12871—67). Плотность 2,4—2,6 г1см . Температура плавления 1450-—1500° С. Температура потери конституционности воды и прочности (термостойкость) при длительном нагреве 500° С и кратковременном 700° С. Щелочестойкость высокая, кислотостойкость слабая. [c.266]

У некоторых веш еств (например, у воды) имеет место характерная аномалия в значениях температурного коэффициента объемного расширения. Известно, что при температуре 3,98° С плотность воды при атмосферном давлении проходит через максимум зависимость удельного объема воды от температуры при р = 98 кПа (1 кгс/см ) представлена на рис. 6-6. Как видно из этого графика, при температурах Т свойств воды, обусловленные этой аномалией плотности, будут рассмотрены в 7-1. [c.166]

При создании метрической системы мер не было четкого разграничения понятий. массы и веса, поэтому единицу массы часто называли единицей веса. За единицу массы вначале был принят грамм, равный массе дистиллированной воды, содержащейся в кубе, ребро которого равно 1/100 метра (при температуре таяния льда). Так как такая единица массы оказалась мала, то впоследствии при проведении опытов за единицу массы взяли не один кубический сантиметр воды, а один кубический дециметр.

Вместо температуры таяния льда была принята температура -Р4°С, при которой вода имеет наибольшую плотность. Опыты по установлению единицы массы вначале были произведены Лавуазье, но впоследствии все полученные им результаты были потеряны, и работу вновь выполнил академик Лефевр-Жино. [c.8]

Физические свойства воды характеризуются несколькими аномальными особенностями при плавлении льда происходит увеличение плотности от 0,92 до 1,00 г/сл при повышении температуры плотность воды меняется по кривой с максимумом при 4° С из всех жидких и твердых веществ вода имеет наибольшую удельную теплоемкость. В зависимости от «ремпературы ее теплоемкость меняется по кривой с минимумом при 27° С (при 15 и 70° С ее значения равны единице) из всех известных жидкостей вода имеет наибольшую скрытую теплоту плавления (1,42 ккал/моль) и испарения (9,7 ккал/моль при 100° С). [c.107]

Плотности обычных жидкостей (исключение составляет ртуть) близки к плотности воды и весьма слабо изменяются с изменением давления и температуры (табл. 3). С увеличением температуры плотность жидкости из-за темлературного расширения, как правило, уменьшается. Исключением является вода в интервале температур от О до 4°С, имеющая наибольшую плотность при 4°С. С увеличением давления плотность незначительно возрастает из-за сжимаемости жидкости. [c.11]

Объемный вес для пористых тел (для сыпучих материалов, например пресспорошков, — насыпной вес )—отношение массы тела к его полному (включая объем пор) объему. Объемный вес измеряется в тех же единицах, что и плотность понятно, что объемный вес меньше плотности соответствующего сплошного твердого тела. Удельный вес — отвлеченное число, равное отношению массы тела к массе равного объема воды он обозначается буквой й, обычно с двумя индексами, из коих верхний обозначает температуру, для которой задается удельный вес тела, а нижний — температуру воды, с которой сравнивается тело, например Так как при температуре + 4° С вода имеет наибольшую плотность, равную 1 г1см , то удельный вес любого тела при температуре отнесенный к воде при 4° С, численно равен плотности того же тела при той же температуре / в г см . Соотношение удельных весов одного и того же тела при одной и той же температуре, отнесенных к воде при 20 и 4°С [c.156]

Для наглядности изобразим процесс парообразования при / = onst в ри-диаграмме (рис. 1-22). Для этого под системой координат расположим цилиндр с подвижным поршнем в цилиндре поместим 1 кг воды пусть при сообщении тепла воде подвижный поршень передвигается вдоль оси абсцисс так, что давление рабочего тела остается постоянным.. В качестве начального состояния воды примем р=0,1 МПа=1 бар 1 кг / м Т= = 273 К (0°С) и будем для простоты считать, что при этой температуре вода обладает наибольшей плотностью (или наименьшим объемом). [Как известно из физики, такие параметры присущи воде при 277 К (4°С).] Будем также считать воду несжимаемой, т. е. исходить из того, что ее объем не изменяется при изменении давления. Начальное состояние в ру-диаграмме обозначим точкой 1. При подводе к воде тепла ее объем и температура будут увеличиваться, причем подъем температуры прекратится, когда она достигнет некоторого значения, зависящего от давления (точка 2). Так, при давлении в 101,3 кПа (760 мм рт. ст., 1,033 кгс/см2) повышение температуры прекратится при 373 К (100 °С). При дальнейшем подводе тепла начнется процесс парообразования, при котором температура остается постоянной. Она называется температурой кипения. Так будет продолжаться до тех пор, пока не испарится последняя капля воды. Получившееся состояние на рис. 1-22 обозначено точкой 5. Все состояния рабочего тела между точками 2 и 5 представляют собой 1 кг смеси кипящей ВОДЫ и пара, причем количество пара в этой смеси обозначают буквой х и называют степенью сухости очевидно, количество кипящей ЖИДКОСТИ в смеси составляет 1—х пар в этой смеси имеет ту же температуру, что и кипящая жидкость его называют насыщенным паром, так как определенному объему пара соответствует определенное количество пара, т. е. этот пар насыщает пространство, в котором он находится 1 кг смеси, состоящей из X кг насыщенного пара и (1—х) кг кипящей воды, называют влажным насыщенным паром. В состоянии, обозначенном точкой сухим насыщенным. Очевидно, для точки 2, где имеется только кипящая вода, л = 0, а для точки 3, где имеется только пар, х=1. В промежуточных состояниях значение X изменяется в этих крайних пределах. [c.32]

Сравнение рис. 9.13 и 9.14 показывает, что, несмотря на повышение солесодержапия обоих типов вод по ступеням испарительной установки, скорость коррозии наибольшая в первой ступени в связи с превалирующим действием температуры. Область диффузионного участка на катодных кривых смещена температурой в область больших плотностей тока (3—5 мA/дм ), что указывает на повышение скорости коррозии. Снижение температуры в процессе упаривания воды по ступеням испарительной установки ослабило анодный контроль, что можно объяснить растворением пассивирующих пленок в процессе концентрирования. [c.222]

Методика исследования иредусматривала проведение опытов при примерно одинаковых средних скоростях дымовых газов и переменных плотностях орошения. В каждой серии опытов исследовались не менее 4—5 значений средней скорости газов. Опыты проводились при разных начальных температурах газов 150, 250, 400 и 600° С. Наибольшее количество опытов было проведено при противотоке и прямотоке дымовых газов и воды при начальной температуре воды 10—20° С. [c.53]

Глава 4.1. Свойства воды | BookOnLime

Описание свойств воды начинают, обычно, с характеристики аномалий, присущих воде – самому распространенному и, вместе с тем, самому загадочному и необычному веществу на земле. Причем практически каждое из этих аномальных свойств имеет важное значение для обеспечения жизнедеятельности на земле. Необычные свойства воды особенно ярко выделяются на фоне свойств ее гомологов: h3S, h3Se, h3Te. Молекула воды является самым первым и легким представителем этого гомологического ряда, однако гидриды серы, селена и теллура при комнатной температуре, в отличие от воды, находятся в газообразном состоянии (рис. 23).

И вода, если бы она была обычным членом гомологического ряда, должна в соответствии со своей молекулярной массой закипать при температуре –70 оС и превращаться в лед при температуре –90 оС, а значит, не могла бы быть основой жизни на земле.

Рис. 23. Точки плавления и кипения гидридов VI группы Периодической системы элементов

Другая особенность воды – это аномальное изменение плотности в зависимости от температуры (рис. 24). В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с ростом температуры. Для воды характер изменения плотности в зависимости от температуры другой – после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при температуре 4 оС, а затем уменьшается с ростом температуры.

Рис. 24. Зависимость плотности воды от температуры

Жидкая вода имеет максимум плотности не в точке плавления, а при температуре 4 оС и ее плотность уменьшается, как при повышении температуры, так и при ее понижении до температуры возможного переохлаждения, равной – 40 оС (при 1 атмосфере). При этом плотность воды больше плотности льда на 10%, благодаря чему лед плавает на поверхности воды. При температуре 4 оС вода уменьшается в объеме до минимальных значений, а при дальнейшем понижении температуры от 4 оС до 0 оС расширяется (рис. 25).

Рис. 25. Зависимость молярного объема воды и льда от температуры

Минимум объема воды при температуре 4 оС обусловлен, по мнению Зацепиной Г.Н., особенностью межмолекулярного взаимодействия системы Н2О, в которой число межмолекулярных переходов протонов равно числу внутримолекулярных переходов. Вода, превращаясь в лед, благодаря увеличению объема приобретает огромную силу, способность разрушать крепчайшие породы и, вместе с тем это спасает нашу планету от оледенения. Так как максимум плотности при 4 оС предотвращает конвективное перемешивание жидкости и опускание на дно поверхностных слоев воды, остывших до температуры ниже 4 оС, что замедляет дальнейшее охлаждение и промерзание водоемов.

Морская вода, в отличие от пресной ведет себя иначе. Наличие различных солей меняет ее физико-химические свойства. Она замерзает при – 1,9 оС (переохлажденная вода) и имеет максимальную плотность при – 3,5 оС, то есть она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Переохлажденная вода, то есть остающаяся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 оС, ведет себя странно, с одной стороны плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения, но, с другой стороны она приближается к плотности льда при понижении температуры.

Другая аномалия воды – необычное поведение ее сжимаемости, то есть уменьшение объема при увеличении давления. Для обычных жидкостей сжимаемость растет с температурой – при высоких температурах жидкости более рыхлы, имеют меньшую плотность, их легче сжать. Вода так ведет себя при высоких температурах выше 50 оС. При низких температурах, от 0 оС до 45 оС сжимаемость воды меняется противоположным образом, в результате при температуре 45 оС появляется минимум. Изотермическая сжимаемость воды при температуре 0 оС в четыре раза больше, чем изотермическая сжимаемость льда (рис. 26).

Рис. 26. Зависимость сжимаемости воды от температуры

Максимальное изменение сжимаемость испытывает при плавлении. Сжимаемость воды и льда мала по сравнению со сжимаемостью других веществ (табл. 4.1.1).

Таблица 4.1.1. Сжимаемость ряда веществ в интервале температур от 5 оС до 30 оС

Температура, оС	βs ·1012, дин/см2
Температура, оС	Вода	Метанол	Бензин
5	51,6	–	84,2
10	48,7	114,9	88,5
15	–	118,8	92,2
25	46,6	122,7	95,6
30	45,8	131,0	103,1

Указание особенности изменения сжимаемости воды и льда объясняют характером водородных связей в них. На этих примерах видно, что необычные свойства воды характеризуются появлением максимумов или минимумов на кривых зависимостей от температуры. Такие зависимости означают, что имеют место два противоположных процесса, которые и определяют эти свойства. Один процесс – это обычное тепловое движение, которое усиливается с ростом температуры и делает воду, как и любую другую жидкость, более разупорядоченной. Другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.

Самая сильная аномалия воды – это температурная зависимость ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. При нагревании вещества теплоемкость, как правило, возрастает для всех веществ, кроме воды. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально – от 0 оС до 37 оС она падает и от 37 оС до 100 оС начинает повышаться. Теплоемкость водяного пара приближается к теплоемкости льда. Минимальное значение теплоемкость воды имеет около 37 оС. Это нормальная температура тела человека (36,6–37 оС), именно при этой температуре происходят сложные биохимические процессы в организме человека, значит энергетически это наиболее выгодные условия. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла изменяется незначительно (табл. 4.1.2).

Таблица 4.1.2. Теплоемкость веществ в трех агрегатных состояниях

Агрегатное состояние	Теплоемкость вещества (СоР, кал/моль)
Агрегатное состояние	Н2О	Nh4	Ch5	HCl	h3	Hg	Na
газообразное	8,75	9,9	–	6,7	6,9	–	5,0
жидкое	18,0	12,0	11,0	12,0	11,0	6,8	7,6
твердое	9,0	9,0	14,0	15,0	13,0	6,7	8,0

Вода же при плавлении льда меняет теплоемкость в два раза, такого огромного скачка при плавлении не наблюдается ни у одного вещества. Теплоемкость льда имеет очень низкое значение, она близка к теплоемкости одноатомных кристаллов и равна теплоемкости твердого аммиака. В процессе плавления металлов теплоемкость практически не изменяется, для веществ из многоатомных молекул в процессе плавления она, как правило, уменьшается, что, вероятно, связано с тем, что молекулы могут свободно вращаться в жидкости, и не могут в твердом теле. Для таких соединений как Н2О и Nh4 теплоемкость в жидком состоянии много больше, чем в твердом состоянии. Это означает, что в воде открываются какие-то новые, энергоемкие процессы, на которые тратится подводимое тепло, что и обуславливает появление избыточной теплоемкости, причем это характерно для всего диапазона температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Эта аномалия исчезает только в паре, то есть это свойство именно жидкой воды. Для переохлажденной воды теплоемкость еще больше возрастает при сильном переохлаждении, то есть переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная. Высокая теплоемкость воды и высокая удельная теплота плавления среди простых веществ (лед трудно растопить, а воду заморозить) способствуют смягчению климата на земле, не происходит резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку существует гигантский регулятор, своеобразный термостат – воды Мирового океана.

Другой величиной, которая определяет характер теплового движения в жидкостях, является теплопроводность. Зависимость изменения теплопроводности воды от температуры приведена на рисунке 26. Для сравнения приведено изменение теплопроводности четыреххлористого углерода, который ведет себя, как обычная жидкость, то есть с ростом температуры уменьшается теплопроводность и растет теплоемкость. Как видно из рисунка 27, теплопроводность при плавлении льда уменьшается приблизительно в четыре раза. Переохлажденная вода имеет тот же характер изменения теплопроводности, что и обычная.

Рис. 27. Зависимость теплопроводности воды и четыреххлористого углерода от температуры

Все нормальные жидкости с ростом давления изменяют знак зависимости теплопроводности от температуры. Теплопроводность воды не изменяет характера температурной зависимости под давлением. Относительная величина увеличения теплопроводности воды при давлении 1200 кг/см2 составляет около 50%, в то время как для нормальных жидкостей это увеличение при том же давлении составляет приблизительно 270%. Теплопроводность воды слабо зависит от давления, что связано с малой сжимаемостью воды по сравнению с другими жидкостями.

И, наконец, еще одно удивительное свойство воды, связанное с особенностями ее поверхностного натяжения. Вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму (капли дождя, росы). На границе двух сред (вода-воздух) силы межмолекулярного притяжения действуют с одной стороны, стягивая поверхность жидкости. На структуру поверхностного слоя воды влияет два фактора – полярность молекул воды и сетка водородных связей. Поверхностное натяжение воды 72 мн/м (миллиньютон/метр). Это поверхностное натяжение настолько велико, что смоченные водой две пластинки из стекла удается разъединить только с помощью огромных усилий. Из всех известных жидкостей силы поверхностного натяжения воды по своей величине уступают только ртути (около 500 мн/м).

Рис. 28. Зависимость сдвиговой вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода

Еще одно аномальное свойство воды – ее вязкость. Обычные жидкости с повышением давления увеличивают вязкость, а с ростом температуры уменьшают. Характер изменения вязкости у воды другой. На рисунке 28 представлена зависимость вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода. Как видно из рисунка вязкость четыреххлористого углерода до температуры около 23 оС меньше, чем у воды, а для больших температур она больше, чем у воды.

Зависимость вязкости от давления для разных температур приведена на рисунке 29, из которой следует, что для низких температур с ростом давления вплоть до 2000 атм вязкость воды уменьшается, а затем начинает расти и при температуре 100 оС кривая близка по характеру зависимости для обычных жидкостей.

Рис. 29. Зависимость сдвиговой вязкости от давления для ряда температур

Увеличение вязкости для них с ростом давления связано с уменьшением длины свободного пробега молекул, так как при большем давлении они плотнее упакованы. Как видно из приведенных характеристик, вода действительно является необычной, аномальной жидкостью и природа этих аномалий кроется в особенностях ее структуры.

Термический режим озер

Ладожское озеро

Автор: С. В. Калесник.
Источник: «Ладожское озеро». Гидрометеоиздат, 1968.
Публикуется в сокращении.

Некоторые общие особенности термического режима озер

Очевидно, что во всяком водоеме плотные слои воды всегда располагаются ниже, а более легкие – выше: плотность воды с глубиной увеличивается.

Плотность воды зависит от ее температуры и солености. Когда теплое и соленое Атлантическое течение входит в Северный Ледовитый океан, то его воды, как более теплые, должны были бы остаться на поверхности, а как более соленые – погрузиться под поверхность. В этом конкретном случае роль солености перевешивает, и атлантические воды опускаются на глубину.

Пресные воды минерализованы настолько мало, что их соленостью можно пренебречь. И плотность пресной воды определяется только ее температурой. Пресная вода приобретает наибольшую плотность при температуре, близкой к 4°.

Стало быть, если поверхностный слой воды, имеющий температуру около 0°, подвергается нагреванию, он становится плотнее и опускается вниз, вытесняя кверху более легкие слои. Вследствие такой конвекции возникает состояние, при котором температура воды растет с глубиной. Это состояние носит название обратной стратификации, или обратной тепловой слоистости воды.

Если нагревается поверхностный слой, имеющий температуру 4°, он будет делаться легче и останется наверху. Нагревание воды может распространяться вглубь только турбулентным путем, т.е., при перемешивании воды ветром. В этом случае устанавливается состояние, при котором температура с глубиной убывает, – это прямая термическая стратификация.

Обратная стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не нагреется до 4°. Прямая стратификация существует до тех пор, пока вся толща воды от поверхности до дна не охладится до 4°. Состояние, при котором температура по вертикали не меняется и равна температуре наибольшей плотности воды, называется гомотермией. В озерах гомотермия бывает весной и осенью. Прямая стратификация характерна для лета, обратная – для зимы.

Другая особенность термического режима озер – образование на известной глубине в условиях термической стратификации слоя скачка, или металимниона, т. е. слоя резкого перепада температуры, высоких ее градиентов – значительно более высоких, чем в слое воды над ним (в эпилимнионе) и под ним (в гиполимнионе). Возникновение металимниона обычно связано с нагреванием воды выше 4°.

В этом случае поверхностный слой, как это мы только что отметили, становится легче ниже лежащих слоев, т. е. погружаться не может, и эффективное согревание более глубоких горизонтов осуществляется при помощи перемешивания воды ветром. Перемешивание это с глубиной все более затрудняется, потому что в том же направлении возрастает плотность воды. Оттого между верхней нагреваемой и нижней холодной толщей образуется резкий температурный раздел, где на очень коротком расстоянии по вертикали температура изменяется подчас на несколько градусов (иногда до 10° на 1м).

Наконец, третья особенность термического режима заключается в появлении и исчезновении термического бара.

Явление термического бара было обнаружено Ф. Форелем на Женевском озере. Форель обратил внимание, что в начале зимы в прибрежной зоне озера устанавливается обратная стратификация, температура воды на поверхности ниже 4° и местами около 0°, так что у самого берега образуется лед, тогда как на некотором удалении от берега в открытой части озера температура поверхности воды выше 4°, и там налицо прямая стратификация. Тот раздел между теплой и холодной водой, где они соприкасаются и где вода от поверхности до дна имеет температуру 4°, Форель назвал термическим баром.

Удивительно странной оказалась судьба этого замечательного открытия: оно было практически забыто. О термическом баре до сих пор не говорится ни в новейших учебных руководствах по озероведению (Зайков, 1955; Богословский и Муравейский, 1955; Богословский, 1960), ни даже в капитальной сводке Хатчинсона (Hutchinson, 1957).

Честь вторичного открытия термического бара и, что самое главное, широкая разработка этой проблемы и освещение ее огромного значения при объяснении многих процессов в жизни озер принадлежит А.И.Тихомирову (1959, 1962, 1963, 1964, 1968). Заинтересовавшись статьей Тихомирова, переведенной на английский язык, американский ученый Роджерс вскоре исследовал и описал термический бар на озере Онтарио (Rodgers, 1966). Таким образом, вклад, внесенный советским ученым в исследование общих гидрологических закономерностей озер, уже приносит свои плоды.

Причина возникновения термического бара состоит в том, что различно нагретые воды прибрежных участков и открытого озера (с температурами выше и ниже температуры наибольшей плотности) в зоне контакта смешиваются и образуют толщу с температурой наибольшей плотности от поверхности до дна. Термический бар создает в озере две различные области, которые Тихомиров удачно назвал теплоактивной и теплоинертной.

На Ладожском озере бар образуется ежегодно не только осенью, но и весной. При весеннем баре в теплоактивной области формируется прямая термическая стратификация, при осеннем – обратная. А в области теплоинертной (наименованной так потому, что в ней температура в период нагревания растет медленно, а в период охлаждения столь же медленно уменьшается) весной существует обратная стратификация, а осенью – прямая.

Поскольку в термическом баре плотность воды наибольшая, то поверхность воды должна находиться здесь чуть ниже, чем в теплоактивной и теплоинертной областях. Это значит, что в поверхностном слое этих областей вода будет двигаться в сторону бара, затем опускаться вниз вдоль стенки бара и оттекать в придонном слое от подножия стенки в сторону от бара, т. е. в теплоактивной области – к берегу, в теплоинертной – в открытое озеро.

Эти два ниспадающих по обе стороны от бара потока, которые Тихомиров (1962) сравнивает с непрерывно движущейся шторой, образованной вертикальной циркуляцией, существуют до тех пор, пока вся толща воды в озере не достигнет температуры наибольшей плотности.

Однажды возникнув, термический бар держится очень устойчиво, пока ему не придет время исчезнуть при гомотермии. Ветер, даже сильный, его не разрушает.

Термический бар можно не только обнаружить путем измерения температуры воды – его можно видеть! Благодаря хорошо развитой конвергенции в поверхностных слоях, сопровождающейся вертикальной циркуляцией, мелкие плавающие предметы, масло, пена образуют полосу на воде, указывая на положение фронта термического бара. Особенно четко эта полоса видна с самолета.

Фронт термического бара, окаймляющий чашу озера сперва вдоль берегов и неподалеку от них, со временем смещается в сторону открытой части озера. Так, весной вдоль южного побережья Ладоги бар возникает над глубинами 30-35м, к концу июня он находится над глубинами 70м, а в середине июля исчезает. Осенью вдоль южного берега бар появляется в начале ноября над глубинами 7-10м; он отгораживает прибрежную часть от остального озера, у берегов появляется лед, тогда как почти во всей открытой части озера сохраняется температура 6-7°.

Теплоактивная область всегда находится над мелководьем, теплоинертная – всегда над большими глубинами. Пока существует термический бар, эти области изолированы друг от друга, и весной и осенью Ладожское озеро превращается в сущности в два разных озера, из которых одно внутреннее, теплоинертное, как бы вставлено в рамку другого – внешнего, теплоактивного.

В каждом из этих «озер» свое вертикальное распределение температуры (противоположная стратификация), своя циркуляция воды, между ними в горизонтальном направлении очень большие температурные контрасты. Изоляция сказывается также и в различиях цвета, прозрачности, химизма воды и, стало быть, отражается на условиях жизни и распределения организмов, в особенности планктона.

Легко видеть, что термический бар – это, как и металимнион, тоже «слой скачка», только расположенный не в горизонтальной, а в вертикальной плоскости.

www.ladoga-lake.ru (2003-2022)

Морская вода — плотность морской воды и давление

Плотность материала указывается в единицах массы на единицу объема и выражается в килограммах на кубический метр в системе единиц СИ. В океанографии плотность морской воды исторически выражалась в граммах на кубический сантиметр. Плотность морской воды зависит от температуры, солености и давления. Поскольку океанографы требуют, чтобы измерения плотности производились с точностью до пятого десятичного знака, обработка данных требует записи множества чисел для записи каждого измерения. Кроме того, во многих случаях влиянием давления можно пренебречь, используя потенциальную температуру. Эти два фактора побудили океанографов принять единицу плотности, называемую сигма-t ( σ _t ). Это значение получается путем вычитания 1,0 из плотности и умножения остатка на 1000. Σ _т не имеет единиц и является аббревиатурой плотности морской воды контролируетсясоленость итолько температура . Σ _т морской воды возрастает с увеличением солености и понижением температуры.

Отношение между давление и плотность демонстрируются путем наблюдения за влиянием давления на плотность морской воды при температуре 35 psu и 0 ° C. Поскольку столб морской воды высотой в один метр (три фута) создает давление около одного метра.децибар (0,1 атмосферы), давление в децибарах примерно равно глубине в метрах. (Один децибар равен одной десятой бара, что, в свою очередь, равно 10 ⁵ ньютонам на квадратный метр.)

Значения, связанные с изменением плотности морской воды с глубиной, перечислены в таблице.

Плотность изменяется с глубиной (морская вода 35 частей на тысячу и 0 ° C)
глубина (м)	давление (децибары)	плотность (г / см ³ )
0	0	1. 02813
1,000	1,000	1.03285
2 000	2 000	1,03747
4 000	4 000	1,04640
6000	6000	1,05495
8 000	8 000	1,06315
10 000	10 000	1,07104

Увеличение значений плотности демонстрирует сжимаемость морской воды под огромным давлением, присутствующим в глубинах океана . Если бы морская вода была несжимаемой, каждый кубический сантиметр воды в водной толще расширился бы, и значения плотности на всех глубинах были бы одинаковыми. Если среднее давление, возникающее на глубине 4000 метров (около 13 100 футов, приблизительная средняя глубина океана), каким-то образом заменить средним давлением на высоте 2000 метров (около 6600 футов), а площадь океанов останется постоянной, средний уровень моря повысится примерно на 36 метров (120 футов).

Температура максимальной плотности и Температура замерзания воды снижается по мере добавления соли, а температура максимальной плотности снижается быстрее, чем точка замерзания. При солености менее 24,7 psu максимум плотности достигается перед ледовой точкой, в то время как при более высокой солености, более типичной для открытых океанов, максимальная плотность никогда не достигается естественным путем. Например, при 5 psu максимальная плотность находится в диапазоне от 0 до 10 ° C (от 32 до 50 ° F). (Фактическое положение находится при 3 ° C [37,4 ° F], где значение σ _t составляет 4,04 для 5 psu.) Эта способность воды с низкой соленостью и, конечно же, пресной воды проходить через максимум плотности делает их обоими ведут себя иначе, чем морские системы, когда вода охлаждается на поверхности и происходит опрокидывание из-за плотности.

В течение падениеозеро охлаждается на своей поверхности,раковины поверхностных вод и конвективныепереворачивание происходит по мере того, как плотность поверхностной воды увеличивается с понижением температуры. К тому времени, когда температура поверхностной воды достигает 4 ° C (39,2 ° F), температуры максимальной плотности для пресной воды, обусловленный плотностью конвективный переворачивание достигает дна озера и прекращается. Дальнейшее охлаждение поверхности приводит к менее плотной воде, и озеро становится стабильно стратифицированным в зависимости от плотности, регулируемой температурой. Только относительно неглубокий поверхностный слой охлаждается ниже 4 ° C. Когда этот поверхностный слой охлаждается дотемпература льда, 0 ° C, лед образуется по мере извлечения скрытой теплоты плавления. В глубоком озере температура на глубине держится на уровне 4 ° C. Весной поверхностная вода нагревается, и лед тает. Неглубокий конвективный переворот возобновляется до тех пор, пока озеро снова не станет изотермическим при температуре 4 ° C. Продолжительное нагревание поверхности создает стабильный столб воды.

В морской воде, в которой соленость превышает 24,7 psu, конвективный переворот также происходит во время цикла охлаждения и проникает на глубину, определяемую соленостью и контролируемой температурой плотностью охлаждаемой воды. Поскольку максимум плотности не пройден, тепловой конвективный переворот продолжается до тех пор, пока не будет достигнута точка обледенения, гдеморской лед образуется с извлечением скрытой теплоты плавления. Поскольку в большинстве случаев соль в значительной степени исключена из льда, соленость воды подо льдом немного увеличивается, и конвективный переворот, который обусловлен как солью, так и температурой, продолжается по мере образования морского льда.

Продолжающийся переворачивание требует, чтобы большой объем воды был охлажден до новой точки льда, продиктованной увеличением солености, прежде чем образуется дополнительный лед. Таким образом образуется очень плотная морская вода, одновременно холодная и с повышенной соленостью. Такие области, какМоре Уэдделла вАнтарктида производит самую плотную воду из океанов. Эта вода, известная какДно Антарктики , опускается на самые глубокие глубины океанов. Продолжающийся переворачивание снижает скорость образования морского льда, ограничивая сезонную толщину льда. Другими факторами, влияющими на толщину льда, являются скорость, с которой тепло проходит через слой льда, и изоляция, обеспечиваемая снегом на льду. Сезонный морской лед редко превышает толщину около 2 метров (около 7 футов). В теплое время года тающий морской лед создает слой пресной воды на поверхности моря и тем самым стабилизирует толщу воды ( см. Морской лед ).

Поверхностные процессы, которые изменяют температуру и соленость морской воды, способствуют процессу вертикальной циркуляции океанов. Известный кактермохалинная циркуляция , она постоянно заменяет морскую воду на глубине водой с поверхности и медленно заменяет поверхностные воды в других местах водой, поднимающейся с более глубоких глубин.

Что такое удельный вес?

Удельный вес обычно относится к плотности материала по сравнению с плотностью воды. Это число дано как отношение, которое означает, что нет никаких единиц при обсуждении. Используя известный удельный вес для конкретного вещества, можно определить, какой образец вещества является чистым или насколько он концентрированный. В некоторых отраслях при определении удельного веса плотность двух веществ можно сравнивать друг с другом, а не с водой.

В большинстве случаев удельный вес задается как отношение плотности определенного вещества к плотности того же количества пресной воды при 39 градусах по Фаренгейту (4 градуса по Цельсию). При этой температуре пресная вода имеет наибольшую плотность, которая составляет 1 грамм на миллилитр. Вещество с удельным весом ниже, чем у воды, будет плавать на поверхности воды, в то время как объект с более высоким удельным весом утонет. Температура и атмосферное давление изменят удельный вес вещества, поэтому стандартные значения удельного веса определяются при этой температуре и в одной атмосфере давления, которая является давлением воздуха на уровне моря.

Помимо стандартных мер удельного веса, также возможно сравнивать плотность двух веществ друг с другом вместо сравнения их с плотностью воды. Многие различные отрасли используют свои собственные наборы сравнений плотности, которые помогают им проверять концентрацию. При проверке плотности газов в качестве стандарта часто используется воздух, а жидкости и твердые вещества часто проверяются на предмет воды, хотя могут использоваться и другие жидкости. Также возможно измерить значение, известное как кажущийся удельный вес вещества, создав отношение весов равных объемов испытуемого вещества и контрольного вещества, такого как вода.

Концепция удельного веса была открыта греческим ученым и изобретателем Архимедом. Когда ему было поручено определить, была ли новая корона короля сделана из чистого золота, Архимед обнаружил, что он может взять корону и равную массу из чистого золота и посмотреть, вытеснили ли они одинаковое количество воды из ванны. Вскоре после этого открытия были рассчитаны плотности ряда различных веществ, чтобы было легко определить их чистоту. Также возможно взять неизвестное вещество и экспериментально определить его плотность по сравнению с водой, чтобы сузить возможные материалы, из которых оно может быть изготовлено.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Нефть — Что такое Нефть?

Нефть – горючая, маслянистая жидкость, преимущественно темного цвета, представляет собой смесь различных углеводородов

Нефть (crude oil) — горючая, маслянистая жидкость, преимущественно темного цвета, представляет собой смесь различных углеводородов.
Сырая нефть — это черная жидкость, обнаруженная в геологических формациях.
Cырая нефть из скважины – это зеленовато-коричневая легко воспламеняющаяся маслянистая жидкость с резким запахом.
Это ископаемое топливо, а это означает, что оно образовано из мертвых организмов, погребенных под сильной жарой и давлением.
Существуют различные сорта нефти.
Цвет нефти изменяется от светло-коричневого до темно-бурого и черного, плотность — 730 — 980¸1050 кг/м³ (плотность менее 800 кг/м³ имеет газовый конденсат).
Основные характеристики нефти: вес, сладость и ОКЧ.

Химический состав нефти

Соединения сырой нефти — это сложные вещества, состоящие из 5 элементов — C, H, S, O и N, содержание этих элементов колеблется в диапазонах 82 — 87% (С), 11 — 15% (H), 0,01 — 6% (S), 0 — 2% (O) и 0,01 — 3% (N).
Углеводороды — основные компоненты нефти и природного газа.
Метан CH₄ – простейший углеводород, одновременно является основным компонентом природного газа.

В нефти встречаются следующие группы углеводородов:

метановые (парафиновые) с общей формулой С_nН_2n+2
нафтеновые — С_nН_2ni
ароматические — С_nH_2n-6

Преобладают углеводороды метанового ряда (метан СН₄, этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈ и бутан С₄Н₁₀), находящиеся при атмосферном давлении и нормальной температуре в газообразном состоянии.

Пентан С₅Н₁₂, гексан С₆Н₁₄ и гептан С₇Н₁₆ неустойчивы, легко переходят из газообразного состояния в жидкое и обратно. Углеводороды от С₈Н₁₈ до С₁₇Н₃₆ — жидкие вещества.

Углеводороды, содержащие больше 17 атомов углерода — твердые вещества (парафины). В нефти содержится 82¸87 % углерода, 11¸14 % водорода (по весу), кислород, азот, углекислый газ, сера, в небольших количествах хлор, йод, фосфор, мышьяк и т.п.

Основные характеристики нефти: вес, сладость ( сернистость), плотность и вязкость.

Сладость

Нефть делает сладкой или кислой количество содержащейся в ней серы.
Сладкая нефть имеет очень низкий уровень серы, ниже 1%.
В высокосернистой нефти — до 1 — 2% серы.

Плотность

Основной показатель товарного качества нефти — ее плотность (r) (отношение массы к объему), по ней судят о ее качестве.
Легкая нефть наиболее ценная. Плотность (объемная масса) — масса единицы объема тела, т.е. отношение массы тела в состоянии покоя к его объему.
Единица измерения плотности в системе СИ выражается в кг/м³.
Измеряется плотность ареометром.
Ареометр — прибор для определения плотности жидкости по глубине погружения поплавка (трубка с делениями и грузом внизу).

На шкале ареометра нанесены деления, показывающие плотность исследуемой нефти.
По плотности нефти делятся на 3 группы:

на долю легкой нефти (с плотностью до 870 кг/м³) в общемировой добыче приходится около 60% (в России — 66%),
на долю средней нефти (871¸970 кг/м³) в России — около 28%, за рубежом — 31%;
на долю тяжелой (свыше 970 кг/м³) — соответственно около 6% и 10%.

Вязкость

Вязкость — свойство жидкости или газа оказывать сопротивление перемещению одних ее частиц относительно других.
Зависит она от силы взаимодействия между молекулами жидкости (газа). Для характеристики этих сил используется коэффициент динамической вязкости (m).
За единицу динамической вязкости принят паскаль-секунда (Па·с), т.е. вязкость такой жидкости, в которой на 1 м² поверхности слоя действует сила, равная одному ньютону, если скорость между слоями на расстоянии 1 см изменяется на 1 см/с.

Жидкость с вязкостью 1 Па·с относится к числу высоковязких.
В нефтяной отрасли промышленности, так же как и в гидрогеологии и ряде других областей науки и техники, для удобства принято пользоваться единицей вязкости, в 1000 раз меньшей — мПа·с.
Так, пресная вода при температуре 200С° имеет вязкость 1 мПа·с, а большинство нефтей, добываемых в России, — от 1 до 10 мПа·с, но встречаются нефти с вязкостью менее 1 мПа·с и несколько тысяч мПа·с.
С увеличением содержания в нефти растворенного газа ее вязкость заметно уменьшается.
Для большинства сортов нефти, добываемых в России, вязкость при полном выделении из них газа (при постоянной температуре) увеличивается в 2¸4 раза, а с повышением температуры резко уменьшается.
Вязкость жидкости характеризуется также коэффициентом кинематической вязкости , т.е. отношением динамической вязкости к плотности жидкости.
За единицу в этом случае принят м²/сек. На практике иногда пользуются понятием условной вязкости, представляющей собой отношение времени истечения из вискозиметра определенного объема жидкости ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 20^оС.

Вязкость изменяется в широких пределах (при 50^оС 1,2 — 55·10^-6 м²/сек) и зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальтеново-смолистых веществ).

Другое основное свойство нефти — испаряемость.
Нефть теряет легкие фракции, поэтому она должна храниться в герметичных сосудах.

Пластовые условия

В пластовых условиях свойства нефти существенно отличаются от атмосферных условий.
Движение нефти в пласте зависит от пластовых условий: высокое давление, повышенная температура, наличие растворенного газа в нефти и др.
Наиболее характерной чертой пластовой нефти является содержание в ней значительного количества растворенного газа, который при снижении пластового давления выделяется из нефти (нефть становится более вязкой и уменьшается ее объем).
В пластовых условиях изменяется плотность нефти, она всегда меньше плотности нефти на поверхности.

При увеличении давления нефть сжимается.
Для пластовой нефти коэффициенты сжимаемости нефти bн колеблются в пределах 0,4¸14,0 ГПа^-1, коэффициент bн определяют пересчетом по формулам, более точно получают его путем лабораторного анализа пластовой пробы нефти.
Из-за наличия растворенного газа в пластовой нефти, она увеличивается в объеме (иногда на 50-60%). Отношение объема жидкости в пластовых условиях к объему ее в стандартных условиях называют объемным коэффициентом «в». Величина, обратная объемному коэффициенту, называется пересчетным коэффициентом:
Θ=1/в
Этот коэффициент служит для приведения объема пластовой нефти к объему нефти при стандартных условиях.
Используя объемный коэффициент, можно определить усадку нефти, т.е. на сколько изменяется ее объем на поверхности по сравнению с глубинными условиями:
И = (в-1) ·100% / в.
Важной характеристикой нефти в пластовых условиях является газосодержание — количество газа, содержащееся в одном кубическом метре нефти.

Для нефтяных месторождений России газовый фактор изменяется в интервале 20 — 1000 м³/т.
По закону Генри растворимость газа в жидкости при данной температуре прямо пропорциональна давлению. Давление, при котором газ находится в термодинамическом равновесии с нефтью, называется давлением насыщения . Если давление ниже давления насыщения, из нефти начинает выделяться растворенный в ней газ.
Нефть и пластовые воды с давлением насыщения, равным пластовому, называются насыщенными. Нефть в присутствии газовой шапки, как правило, насыщенная.

природная жидкая смесь разнообразных углеводородов с небольшим количеством других органических соединений; ценное полезное ископаемое, залегающее часто вместе с газообразными углеводородами (попутные газы, природный газ).

Соединения нефти

Все углеводороды могут быть подразделены на алифатические (с открытой молекулярной цепью) и циклические, а по степени ненасыщенности углеродных связей – на парафины и циклопарафины, олефины, ацетилены и ароматические углеводороды.

Парафиновые углеводороды

Парафиновые углеводороды (общей формулы CnH_{2n + 2}) относительно стабильны и неспособны к химическим взаимодействиям.
Соответствующие олефины (C_nH_2n) и ацетилены (CnH_{2n – 2}) обладают высокой химической активностью: минеральные кислоты, хлор и кислород реагируют с ними и разрывают двойные и тройные связи между атомами углерода и переводят их в простые одинарные; возможно, благодаря их высокой реакционной способности такие углеводороды отсутствуют в природной нефти.
Соединения с двойными и тройными связями образуются в крекинг-процессе при удалении водорода из парафиновых углеводородов во время деструкции последних при высоких температурах.

Циклопарафины

Циклопарафины составляют важную часть нефти.
Они имеют то же относительное количество атомов углерода и водорода, что и олефины.
Циклопарафины (называемые также нафтенами) менее реакционноспособны, чем олефины, но более, чем парафины с открытой углеродной цепью.

Часто они представляют собой главную составную часть низкокипящих дистиллятов (бензин, керосин и лигроин), полученных из сырой нефти.

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды имеют циклическое строение; циклы состоят из 6 атомов углерода, соединенных попеременно одинарной и двойной связью.
В легких нефтепродуктах из дистиллятов каменноугольного дегтя ароматические углеводороды присутствуют в больших количествах, чем в первичных и крекинг-дистиллятах нефти.
Они входят в состав бензина.
Они могут быть получены дегидрированием циклогексанов нефти с использованием катализаторов и высоких температур.
Ароматические углеводороды нежелательны с точки зрения экологии.

Сернистые соединения.

Наряду с углеводородами нефти содержат органические соединения серы, кислорода и азота.
Сернистые соединения имеют характер либо открытых, либо замкнутых цепей.
Примером первых являются алкил-сульфиды и меркаптаны.
Многие сернистые соединения нефти представляют собой производные тиофена – гетероциклического соединения, молекула которого построена как бензольное кольцо, где две CH-группы заменены на атом серы.

Большая часть сернистых соединений сосредоточена в тяжелых фракциях нефти, соответствующих гидрированным тиофенам и тиофанам.
Сера существенно ухудшает качество нефти и ухудшает экологию.
Сернистые соединения обычно имеют резкий неприятный запах и часто коррозионноактивны как в природном виде, так и в виде продуктов горения.
Существует много технологий сероочистки.

Кислородные соединения.

Некоторые имеющиеся в нефти кислородные соединения относятся к нафтеновым кислотам.
Соединения этого типа встречаются довольно часто, и содержание их в некоторой нефти России достигает более 1%.
Медьсодержащие нафтены используются как консерванты дерева, а кобальт -, марганец — и свинецсодержащие – как отвердители красок и лаков.
Фенолы (производные ароматических углеводородов, в которых присутствует гидроксильная группа ОН), обычно являются продуктом крекинг-процессов, поскольку большей частью обнаруживаются в крекинг-дистиллятах и лишь частично в первичных дистиллятах.

Промышленное производство креозолов (производных ароматических углеводородов, в которых присутствуют как гидроксильная, так и метильная группы), из крекинг-дистиллятов нефти экономически выгодно, даже несмотря на их низкое содержание (менее 0,01%).

Азотсодержащие соединения.

Содержание азота в нефти изменяется от следов до 3%.
Азотсодержащие соединения в нефти представлены соединениями ряда хинолина, частично или полностью насыщенными водородом и другими органическими радикалами; эти соединения, как правило, находятся в высококипящих фракциях сырой нефти, начиная с керосина.

Почти вся нефть содержат небольшое количество неорганических соединений, которые остаются в виде золы после сгорания нефти.

Зола содержит кремнезем, алюминий, известь, оксиды железа и марганца. Используя такие методы, как экстракция растворителем, иногда выгодно получать соединения ванадия из сажи, образующейся при сгорании ванадийсодержащей нефти.
Однако, как правило, использование нефтяной золы ныне весьма ограничено.

Нефтепереработка кратко

Плотность, удельный вес и коэффициенты теплового расширения

Плотность — это отношение массы к объему вещества:

ρ = м / В [1]

где
ρ = плотность, обычно единицы [ г / см ³] или [фунт / фут ³]
м = масса, обычно единицы [г] или [фунт]
V = объем, обычно единицы [см ³] или [фут ³]

Чистая вода имеет максимальную плотность 1000 кг / м ³ или 1.940 снарядов / фут ³ при температуре 4 ° C (= 39,2 ° F).

Удельный вес — отношение веса к объему вещества:

γ = (м * г) / V = ρ * г [2]

где
γ = удельный вес, ед. обычно [Н / м ³] или [фунт-сила / фут ³]
м = масса, обычно единицы [г] или [фунт]
g = ускорение свободного падения, обычно единицы [м / с ²] а значение на Земле обычно дается как 9. 80665 м / с ² или 32,17405 фут / с ²
V = объем, типичные единицы [см ³] или [футы ³]
ρ = плотность, типичные единицы [г / см ³] или [фунт / фут ³]

Пример 1: Удельный вес воды
В системе SI удельный вес воды при 4 ° C будет:

γ = 1000 [кг / м3] * 9.807 [ м / с2] = 9807 [кг / (м2 с2)] = 9807 [Н / м3] = 9.807 [кН / м3]

В английской системе единицей измерения массы является пуля [sl] , и она получается из фунт-сила, определив его как масса, которая будет ускоряться со скоростью 1 фут в секунду в квадрате, когда на нее действует сила в 1 фунт :

1 [фунт _f] = 1 [сл] * 1 [фут / s2] и 1 [sl] = 1 [фунт _f] / 1 [фут / с2]

Плотность воды равна 1.940 сл / фут ³ при 39 ° F (4 ° C), а удельный вес в британских единицах измерения составляет

γ = 1,940 [сл / фут3] * 32,174 [фут / с2] = 1,940 [фунт _f] / ([фут / с2] * [фут3]) * 32,174 [фут / с2] = 62,4 [фунт _f / фут3]

Подробнее о разнице между массой и весом

Онлайн-калькулятор плотности воды

Калькулятор ниже можно использовать для расчета плотности жидкой воды при заданных температурах.
Плотность на выходе указывается в г / см ³, кг / м ³, фунт / фут ³, фунт / галлон (жидкий раствор США) и сл / фут ³.

Примечание! Температура должна быть в пределах 0–370 ° C, 32–700 ° F, 273–645 K и 492–1160 ° R, чтобы получить допустимые значения.

Плотность воды зависит от температуры и давления, как показано ниже:

Термодинамические свойства при стандартных условиях см. В разделе «Вода и тяжелая вода».
См. Также другие свойства Water при изменяющейся температуре и давлении : Точки кипения при высоком давлении, Точки кипения при вакуумном давлении, Динамическая и кинематическая вязкость, Энтальпия и энтропия, Теплота испарения, Константа ионизации, pK _w , нормальной и тяжелой воды, температуры плавления при высоком давлении, число Прандтля, свойства в условиях равновесия газ-жидкость, давление насыщения, удельный вес, удельная теплоемкость (теплоемкость), удельный объем, теплопроводность, температуропроводность и давление пара в газе -жидкое равновесие.
Для других веществ см. Плотность и удельный вес ацетона, воздуха, аммиака, аргона, бензола, бутана, диоксида углерода, монооксида углерода, этана, этанола, этилена, гелия, водорода, метана, метанола, азота. , кислород, пентан, пропан и толуол.
Плотность сырой нефти , плотность мазута , плотность смазочного масла и плотность реактивного топлива в зависимости от температуры.

Как показано на рисунках, изменение плотности не является линейным с температурой — это означает, что коэффициент объемного расширения воды не является постоянным во всем температурном диапазоне.

Плотность воды, удельный вес и коэффициент теплового расширения при температурах, указанных в градусах Цельсия:

Для полной таблицы с удельным весом и коэффициентом теплового расширения — поверните экран!

[фунт _м / фут ³] -0,68

Температура	Плотность (0-100 ° C при 1 атм,> 100 ° C при давлении насыщения)					Удельный вес		Коэффициент теплового расширения
[° C]	[г / см ³]	[кг / м ³]	[сл / фут ³]	[фунт _м / галлон (жидкий раствор США)]	[кН / м ³]	[фунт _f / фут ³]	*[_ 10 ^-4 K ^-1]**
0. 1		0,9998495 999,85		1,9400 62,4186 8,3441			9,8052 62,419
	1 0,9999017		999,90 1,9401		62,4218 8,3446 9,8057		62,422	-0,50
4	0,9999749	999,97	1,9403	62,4264	8.3452	9,8064	62,426	0,003
10	0,9997000	999,70	1,9397	62,4094	8,3429										1,9386	62,3719	8,3379	9,7978	62,372	1,51
20	0.9982067	998,21	1,9368	62,3160	8,3304	9,7891	62,316	2,07
25	0,9970470	997,05	1,9346	62,2436	8,3208	9,7777	62,244	2,57
30	0,98	995,65	1,9319	62,1563	8,3091	9. 7640	+62,156	3,03
35	0,9	6	994,03	1,9287	62,0554	8,2956	9,7481	62,055	3,45
40	0,9	2	992,22	1,9252	61.9420	8.2804	9.7303	61.942	3.84
45	0.99021	990.21	+1,9213	61,8168	8,2637	9,7106	61,817	4,20
50	0,98804	988,04	1,9171	61,6813	8,2456	9,6894	61,681	4,54
55	0,98569	985,69	1,9126	61,5346	8,2260	9,6663	61.535	4,86
60	0,98320	983,20	1,9077	61,3792	8,2052	9,6419 65165	8,2052	9,6419 65165		9,6419	8,1831	9,6159	61,214	5,44
70	0,97776	977,76	1. 8972	+61,0396	8,1598	9,5886	61,040	5,71
75	0,97484	974,84	1,8915	60,8573	8,1354	9,5599	60,857	5,97
80	0,97179	971,79	1.8856	60,6669	8,1100	9,5300	60,667	6.21
85	0,96861	968,61	1,8794	60,4683	8,0834	9,4988	60,468	9,4988	60,468	6,44					6,44
			9,4665	60,262	6,66
95	0,	961,89	1,8664	60.0488	8,0274	9,4329	60,049	6,87
100	0,	958,35	1,8595	59,8278	7,9978	9,3982	59,828	7,03
110	0,		950,95	1,8451	59,3659	7,9361	9,3256	59,366	8,01
120	0. +		943,11	1,8299	58,8764	7,8706	9,2487	58,876	8,60
140	0,	926,13	1,7970	57,8164	7,7289	9,0822	57,816	9,75
160	0,	907,45	1,7607	56,6503	7,5730	8.8990	56,650	11,0
180	0,88700	887,00	1,7211	55,3736	7,4024	8,6985												53,9790	7,2159	8,4794	53,979	13,9
220	0,84022	840.22	1,6303	52,4532	7,0120	8,2397	52,453	16,0
240	0,81337	813,37	1,5782	50,7770	6,7879	7,9764	50,777	18,6
260	0,78363	783,63	1,5205	48,9204	6,5397	7,6848	48. 920	22,1
280	0,75028	750,28	1,4558	46,8385	6,2614	7,3577	46,838								5,9431	6,9837	44,457
320	0,66709	667,09	1,2944	41.6451	+5,5671	6,5419	41,645
340	0,61067	610,67	1,1849	38,1229	5,0963	5,9886	38,123
360	0,52759	527,59	1,0237	32,9364	4,4030	5,1739	32,936
373,946	0.3220	322,0	0,625	20,102	2,6872	3,1577	20,102

Плотность воды, удельный вес и коэффициент теплового расширения при температурах в градусах Фаренгейта 7 9000 и коэффициент теплового расширения — поверните экран!

6,31

Температура	Плотность (0-212 ° F при 1 атм,> 212 ° F при давлении насыщения)					Удельный вес		Коэффициент теплового расширения
[° F]	[фунт _м / фут ³]	[сл / фут ³]	[фунт _м / галлон (США) жидкий)]	[г / см ³]	[кг / м ³]	[фунт _f / фут ³]	[кН / м ³]	*[_ 10 ^-4 K ^-1]**
32. 2	62,42	1,9400	8,3441	0,99985	999,9	62,42	9,805	-0,68
34																	9,806	-0,50
39,2	62,43	1,9403	8,3452	0,99997	1000,0	62.43	9,806	0,0031
40	62,42	1,9402	8,3450	0,99995	1000,0	62,42	16802					9016 9165		0,99970	999,7	62,41	9,804	0,88
60	62,36	1,9383	8.3369	0,99898	999,0	62,36	9,797	1,59
70	62,30	1,9364	8,3283	1,9364	8,3283	162162			1,9364	8,3283	162162		62,22	1,9338	8,3172	0,99662	996,6	62,22	9,773	2,72
90	62. 11	1,9306	8,3035	0,99498	995,0	62,11	9,757	3,21
100	62,00	162	100	62,00	162			62,00	16290			3,66
110	61,86	1,9227	8,2697	0,99093	990,9	61,86	9.718	4,08
120	61,71	1,9181	8,2499	0,98855	988,6	61,71	988,6	61,71	9,694 130165	4,46	9,694 130165	4,46	9,694 130165	4,46		986,0	61,55	9,669	4,81
140	61,38	1,908	8.205	0,9832	983,2	61,38	9,642	5,16
150	61,19	1,902	8,180	0,9162		8,180	0,9162			61,00	1,896	8,154	0,9771	977,1	61,00	9,582	5,71
170	60. 79	1,890	8,127	0,9738	973,8	60,79	9,550	6,05
180	60,58	180162	60,58	1.88165	8,0162			60,58	1.88165
190	60,35	1,876	8,068	0,9668	966,8	60,35	9.481	6,57
200	60,12	1,869	8,037	0,9630	963,0	60,12	9,444	60,12	9,444	6,7162
958,4	59,83	9,398	7,07
220	59,63	1,853	7,971	0.9552	955,2	59,63	9,367
240	59,10	1,837	7,900	0,9467	946,7	0,9467	946,7	592	7,824	0,9375	937,5	58,53	9,194
280	57,93	1. 800	7,744	0,9279	927,9	57,93	9,100
300	57,29	1,781	7,659
								55,59	1,728	7,431	0,8905	890,5	55,59	8,733
400	53.67	1,668	7,175	0,8598	859,8	53,67	8,432
450	51,45	1,599	51,45	1,599		51,45	1,599					500	48,92	1,521	6,540	0,7836	783,6	48,92	7,685
550	45.95	1,428	6,142	0,7360	736,0	45,95	7,218
600	42,36	1,317	5,663	1,317	5,663
625	40,12	1,247	5,363	0,6426	642,6	40,12	6,302
650	37. 35	1,161	4,993	0,5982	598,2	37,35	5,867
675	33,79	1,050		33,79	1,050

Плотность воды и удельный вес при 1000 psi и данных температурах:

Для полного стола с удельным весом — поверните экран!

Температура		Плотность (при 1000 psi или 68.1 атм)					Удельный вес
[° C]	[° F]	[г / см ³]	^{3 кг /}]	[сл / фут ³]	[фунт _м / фут ³]	[фунт _м / галлон (лик США)]	[ фунт _f / фут ³]	[кН / м ³]
0. 0	32	1,0031	1003,1	1,946	62,62	8,371	62,62	9,837
4,4	40				4,4	40							1,9 62,62	9,837
10,0	50	1,0031	1003,1	1,946	62,62	8,371	62.62	9,837
15,6	60	1,0024	1002,4	1,945	62,58	8,366	62,58	8,366	62,58	9,8162	9,8162	62,50	8,355	62,50	9,818
26,7	80	0,9999	999,9	1.940	62,42	8,344	62,42	9,805
32,2	90	0,9981	998,1	1,937	998,1	1,937	998,1	1,937	998,1	1,937	62162	8,316 62165		0,9962	996,2	1,933	62,19	8,314	62,19	9,769
43,3	110	0. 9944	994,4	1,928	62,03	8,292	62,03	9,744
48,9	120	0,9912	99162			0,9912	99162
54,4	130	0,9888	988,8	1,919	61,73	8,252	61,73	9.697
60,0	140	0,9864	986,4	1,914	61,58	8,232	61,58	98162	61,58	9,673			9,673
9,673
		8,207	61,39	9,644
71,1	160	0,9803	980,3	1,902	61.20	8,181	61,20	9,614
76,7	170	0,9768	976,8	1,895	60,98	8,116 9165			8,1169	60,98	8,116 9165			973,1	1,888	60,75	8,121	60,75	9,543
87,8	190	0. 9696	969,6	1.881	60,53	8,092	60,53	9,509
93,3	200	0,9661
				9662	0,9661	9662
121,1	250	0,9456	945,6	1,835	59,03	7,891	59,03	9.273
148,9	300	0,9217	921,7	1,788	57,54	7,692	57,54	7,692	57,54	9,039			7,463	55,83	8,770
204,4	400	0,8636	863,6	1,676	53.91	7.207	53.91	8.469
260.0	500	0.7867	786.7	1.526	49.11	6.5162		49. 11	6.5162		точка

Плотность воды и удельный вес при 10 000 psi и заданных температурах:

Для полного стола с удельным весом — поверните экран!

Температура

Плотность (при 10 000 psi или 681 атм)

Удельный вес

[° C]

[г / см ³]

[кг / м ³]

[сл / фут ³]

[фунт _м / фут ³]

[фунт _м / галлон (жидкий раствор США)]

[фунт _f / фут ³]

[кН / м ³]

0.0

1,033

1033

2,004

64,5

8,62

64,5

10,13

4,4

1032

1032 902

1032

1032 902 64,4

10,12

10,0

1,031

1031

000

64,4

8,60

64.4

10,11

15,6

1,029

1029

1,997

64,3

8,59

64,3

10,09

64,1

8,58

64,1

10,08

26,7

1,026

1026

1,990

64.0

8,56

64,0

10,06

32,2

1,024

1024

1,986

63,9

8,54

63,9

8,54

63,9

1021

1,982

63,8

8,52

63,8

10,02

43,3

110

1,019

1019

1.977

63,6

8,51

63,6

9,99

48,9

120

1,017

1017

1,973

63,5

1,014

1014

1,968

63,3

8,46

63,3

9,94

60,0

140

011

1011

1,962

63,1

8,44

63,1

9,92

65,6

150

1,008

1008

1,008

1008

1,008

1008

1,008

71,1

160

1,005

1005

1,951

62,8

8,39

62,8

9,86

76.7

170

1,002

1002

1,945

62,6

8,37

62,6

9,83

82,2

180

62,4

9,80

87,8

190

0,996

996

1,932

62,2

8,31

62.2

9,77

93,3

200

0,992

992

1,926

62,0

8,28

62,0

9,73

60,8

8,13

60,8

9,55

148,9

300

0,953

953

1,849

59.

7,95

59,5

9,35

176,7

350

0,930

930

1.805

58,1

7.716.1

905

1,756

56,5

7,55

56,5

8,88

260,0

500

0,847

847

1.643

52,9

7,07

52,9

8,31

315,6

600

0,774

774

1,501

48,3

6,4 галлон основан на 7,48 галлона на кубический фут .

1 галлон (жидкий раствор США) = 3,7854 л = 0,8327 галлона (Великобритания) = 0,8594 галлона (сухой раствор США) = 0,1074 галлона (сухой раствор США) = 0,4297 упак. (Сухой раствор США) = 4 кварты (жидкий раствор США) = 8 пунктов (США) liq) = 16 c (США) = 32 gi (жидкий раствор США) = 128 жидких унций (США) = 1024 жидких унций (США) = 3. 7854×10 ^-3 м ³ = 0,1337 фута ³ = 4,951×10 ^-3 ярдов ³

Для преобразования плотности в кг / м ³ в другие единицы плотности — или между единицами измерения — используйте приведенные ниже значения преобразования:

1 кг / м ³ = 1 г / л = 0,001 кг / л = 0,000001 кг / см ³ = 0,001 г / см ³ = 0,99885 унций / фут ³ = 0,0005780 унций / дюйм ³ = 0,16036 унций / галлон (Великобритания) = 0,1335 унций / галлон (жидкий раствор США) = 0.06243 фунт / фут ³ = 3,6127×10-5 фунт / дюйм ³ = 1,6856 фунт / ярд3 = 0,010022 фунт / галлон (Великобритания) = 0,008345 фунт / галлон (жидкий раствор США) = 0,001

сл / фут ³ = 0,0007525 тонна (длинная) / ярд ³ = 0,0008428 тонна (короткая) / ярд ³

См. также преобразователь плотности

Пример 2: Плотность воды в унциях / дюйм ³
Плотность воды при температуре 20 ^o C составляет 998,21 кг / м ³ (таблица выше). Плотность в единицах унций / дюйм ³ может быть вычислена с помощью приведенного выше значения преобразования в

998.21 [кг / м ³] * 0,0005780 [(унция / дюйм ³) / (кг / м ³)] = 0,5797 ^{[унция / дюйм ³]}

Пример 3: Масса горячего Вода
Бак объемом 10 м ³ содержит горячую воду с температурой 190 ° F. Из приведенной выше таблицы плотность воды при 190 ° F составляет 966,8 кг / м ³. Можно рассчитать общую массу воды в баке

10 [м ³] * 966,8 [кг / м ³] = 9668 [кг]

См. Также гидростатическое давление в воде и энергию, запасенную в горячей воде.

Влияние температуры на плотность

Плотность

Плотность — это масса любого материала на единицу объема.Газы всегда имеют гораздо меньшую плотность, чем конденсированные фазы.

Большинство материалов имеют более низкую плотность жидкости, чем твердое вещество, но это не всегда так. Вода имеет более высокую плотность в жидком состоянии, чем в твердом, поэтому кубики льда плавают.

Как плотность зависит от температуры в конкретной фазе?

Помните, что температура связана со средней кинетической энергией атомов или молекул внутри вещества. Мы знаем, что для газов объем прямо пропорционален температуре по уравнению PV = nRT.

Чистая вода

Плотность жидкой воды составляет приблизительно 1,0 г / мл. На диаграмме справа указана плотность в кг / м ³. Разделите на 10 ³, чтобы получить плотность в г / мл.

Давайте посмотрим на плотность воды при 25 ° C и сравним ее с более высокой температурой, 80 ° C.Плотность уменьшается с 0,9970 г / мл до 0,9718 при нагревании. Это имеет смысл, потому что по мере того, как к жидкой воде добавляется тепло, увеличивается кинетическая энергия молекул, а также увеличивается количество колебаний молекул воды. Вместе это означает, что каждая единица H ₂ O в жидкой воде занимает больше места при повышении температуры.

Мы видим ту же тенденцию при переходе от жидкой воды при 25 ° C (0,9970 г / мл) к жидкой воде при 4 ° C (0,99997 г / мл). Плотность увеличивается при понижении температуры.

Однако ниже 4 ° C плотность снова уменьшается. Как мы можем это объяснить?

Помните, что жидкая вода и твердая вода имеют одинаковую сеть связей. Жидкая вода при 25 градусах настолько быстро разрывает связи между звеньями H ₂ O и преобразует их, что лишние молекулы воды попадают в водную решетку.Это причина того, что жидкая вода более плотная, чем твердая вода.

Связи в воде разрываются медленнее при понижении температуры, и структура имеет тенденцию удерживать меньше дополнительных молекул воды. При низкой температуре большая часть воды имеет такую же решетку, как лед.

Википедия, Плотность воды

Жидкая вода может иметь температуру значительно ниже 0 ° C.

Молекулы в этой переохлажденной воде могут свободно перемещаться.Узы создаются и разрываются. Структура дальнего действия не идеальна, но структура ближнего действия переохлажденной воды очень похожа на лед. Добавление кристалла в переохлажденную воду вызывает мгновенное образование льда.

Другие жидкости Pure

Чистый этанол, CH ₃ CH ₂ OH, является другой чистой жидкостью. Она похожа на воду в том, что она полярна, с постоянным дипольным моментом и образует водородные связи с собой. Однако у него нет такой же трехмерной решетки, как у воды.

В таблице справа указана плотность этанола от 3 до 40 ° C в г / мл. Мы видим, что в этом диапазоне плотность уменьшается с температурой. В отличие от ситуации с водой здесь нет точки максимальной плотности.

Большинство других чистых жидкостей в этом отношении похожи на этанол.

Растворы показывают типичное поведение чистой жидкости в зависимости от температуры, но плотность также сильно зависит от количества растворенного материала.

Википедия, данные по этанолу

Назад Компас Показатель Таблицы Введение Следующий

OC202 ТЕМА 1: СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

Свойства морской воды, контролирующие плотность

Плотность определяется как масса воды. на единицу объема и выражается в граммах на кубический сантиметр (г / см ³), килограммах на литр (кг / л) или килограммах на кубический метр (кг / м ³).В плотность пресной воды при 4 ° C составляет 1.0000 г / см ³ или 1.000 кг / литр или 1000 кг / м ³.

Как вы думаете, почему масса воды определяется определенным температура?

Плотность океанов составляет примерно от 1,020 до 1,070 г / см ³ ^{Изменения плотности вызваны в основном колебаниями
давление, соленость и температура:}

холодная вода больше плотный

соленая вода больше плотный

более высокое давление вызывает увеличение плотности — давление увеличивается с глубиной из-за массы вода выше

Температура Влияние на плотность

Изменение температуры влияет на морскую воду плотность: по мере того, как вода охлаждает свою плотность увеличивается. По мере охлаждения воды молекулы H ₂ O упаковываются более плотно. (поскольку молекулы колеблются меньше при более низких температурах) и поглощают меньший объем. Столько же воды молекулы в меньшем объеме приводят к более высокой плотности.

Насколько важна плотность морской воды? увеличиваются при охлаждении с 20 до 0С? Плотность морской воды увеличивается с 1,0240 г / см ³ ^{при 20 ° C до 1,0273 г / см ³ при 0 ° C при температуре
постоянная соленость. В мире средний
примерно на 20 ° C понижение температуры от поверхности до дна океана.В
увеличение плотности с глубиной, вызванное понижением температуры, играет роль
Наибольшая роль в определении плотности пробы воды.}

Таким образом, увеличение плотность из-за уменьшения температуры с глубиной преобладает над уменьшение солености и делает более глубокую воду более плотной чем поверхностная вода. Это означает, что в большинстве регионов океан стабильный, то есть потребуется энергия, чтобы перемешать океан по вертикали. Это не обязательно ситуация в полярных регионах. регионы

Глубина в зависимости от температуры

В мире весь температурный диапазон для океанской воды колеблется от ~ -2C до + 40C, что намного меньше, чем диапазон температур воздуха от -60С до + 60С.

Температура поверхностных вод сильно различается более чем глубоководные температуры. Большинство океана теплее на поверхности и холоднее на увеличивающейся глубине. Область термоклин называется термоклином. Скорость изменения Температура с глубиной называется температурным градиентом. Крутизна градиент температуры по глубине зависит от местоположения. Это больше всего в теплом тропическом океане. (тепло на поверхности и холоднее с увеличением глубины) и меньше всего на холоде полярный океан (несколько равномерно холодный у поверхности и на увеличивающейся глубине).

Соленость Эффекты

Соль в морской воде делает его более плотным, чем пресноводный. Как много соли в морской воде? Обычно морская вода содержит от 33 до 37 граммов соли на литр морской воды, хотя крайние значения солености могут составлять от 28 до 40 г / л. Океанографы измеряют соленость в частях на тысяч (ppt), таким образом, типичная морская вода находится между 33 до 37 п.

Кому сделайте морскую воду, начните с пресной и добавьте 35 граммов соли на один литр (1 кг) этой пресной воды (35 граммов на 1000 граммов).В результате морская вода плотнее, чем пресная вода из-за добавленной массы растворенной соли.

Как правило, соленость уменьшается от поверхности океана к глубоким водам очень мало, от примерно 36 г / л (ppt) на поверхности до 35 г / л (ppt) в глубокой воде, таким образом, наблюдается очень небольшое уменьшение плотности с глубиной при постоянной температуре.

соленость морской воды также влияет на ее точку замерзания. Пресная вода имеет точку замерзания 0C.Морская вода точка замерзания составляет ~ -2С. В точка замерзания по сравнению с соленостью объясняет, почему это легче образовывать лед на озере (пресной воде), чем на заливе (морская вода).

Плотность и движение воды

Плотность морская вода определяет ее склонность к вертикальному движению. Если плотность воды у поверхности выше, чем ниже вода опустится до уровня собственной плотности. В этой ситуации столб воды нестабилен.

Если плотность воды на поверхности ниже, чем внизу, вода не тонет.В этой ситуации водный столб стабилен. В этом ситуация требует подводимой энергии (обычно от ветра), чтобы «толкнуть» вода вниз — например, как погрузить резиновую утку в ванну (вы поставляете энергию).

Общее опускание поверхностных вод происходит там, где есть холодный воздух для охлаждения воды на поверхности. Эта ситуация наблюдается в высоких широтах около полюса. В этих полярных точках поверхность вода остывает и становится достаточно плотной, чтобы опуститься на тысячи метров. Опускание поверхностных вод — очень важное механизм пополнения вод в глубоком море.

Напротив, для большей части океана (в пределах ~ 50 от экватора) поверхностные воды намного теплее и менее плотны. чем холодные воды, найденные на глубине. В этих условиях поверхностные воды не опускаются, и поэтому нет прямой контакт с водами в глубоком море.

Что контролирует соленость поверхности? В основном относительные ставки испарения по сравнению с осадками. Когда скорость испарения больше, чем осадков, то соленость поверхности океана увеличивается.Когда количество осадков больше чем скорость испарения, то соленость поверхности океана уменьшается.

Панельное отопление и осадки способствуют устойчивости водяного столба за счет снижения плотности поверхности морская вода.

Охлаждение и испарение снижает стабильность за счет увеличения поверхностной плотности.

Воздействие давления

По мере увеличения давления увеличивается и вода. плотность. Пакет молекул воды вместе с увеличением давления — давление увеличивается с глубиной из-за весу воды выше, и вызывает самые большие изменения плотности в морская вода с глубиной (больше, чем плотность изменяется из-за температуры и изменения солености).

Профили морской воды vs Глубина

Термоклин — слой внутри водоема или воздуха, где температура быстро меняется с глубиной. Поскольку вода не идеально прозрачна, почти весь солнечный свет поглощается ею. поверхностный слой, который нагревается. Ветер и волны вращают воду в поверхностный слой, несколько распределяя внутри него тепло, а температура может быть довольно однородный для первых нескольких сотен футов.Однако ниже этого смешанного слоя температура падает очень быстро, может достигать 20 градусов Цельсия с дополнительные 150 м (500 футов) глубины. Эта область быстрого перехода — термоклин. Ниже термоклина температура продолжает падать с глубиной, но гораздо более постепенно. в В земных океанах 90% воды находится ниже термоклина. Этот глубокий океан состоит слоев равной плотности, плохо перемешанных.

Пикноклин — это слой, в котором наблюдается быстрое изменение плотности воды. с глубиной.В пресноводных средах, таких как озера, это изменение плотности в первую очередь вызвано температурой воды, в то время как в средах с морской водой, таких как океанов изменение плотности может быть вызвано изменениями температуры воды и / или соленость.

Галоклин — это вертикальный градиент солености. Поскольку соленость (в зависимости от температуры) влияет на плотность морской воды, может играть роль в ее вертикальном стратификация. По сути, ниже соленая вода (= более низкая плотность) «плавает» поверх более соленой воды вода (= более высокая плотность).Величина результирующего градиента плотности играет важную роль в определении влияния вертикального перемешивания. Сильный градиент солености будет сопротивляться перемешиванию, в то время как слабый градиент может быть перемешан более без труда. Обычно океанская вертикаль структура определяется температурным воздействием на плотность, но соленость и галоклины играют доминирующую роль в некоторых регионах Мирового океана. В субарктический север Тихого океана — один из таких регионов.

Температура воды — Системы измерения окружающей среды

Что такое температура воды?

Температура воды — это физическое свойство, показывающее, насколько горячая или холодная вода.Поскольку термины «горячий» и «холодный» являются произвольными, температуру можно дополнительно определить как измерение средней тепловой энергии вещества ⁵. Тепловая энергия — это кинетическая энергия атомов и молекул, поэтому температура, в свою очередь, измеряет среднюю кинетическую энергию атомов и молекул ⁵. Эта энергия может передаваться между веществами в виде потока тепла. Передача тепла, будь то воздух, солнечный свет, другой источник воды или тепловое загрязнение, может изменить температуру воды.

Температура воды играет важную роль в качестве водной флоры и фауны и среды обитания. Тепловой поток и колебания температуры определяют, какие виды будут жить и процветать в водоеме.

Температура воды была определена Дж. Р. Бреттом как «основной фактор абиотики» из-за ее воздействия на водные организмы. ¹⁵. Что это значит для озер, рек и океанов?

Почему важна температура воды

Температура воды влияет почти на все остальные параметры качества воды.

Температура — важный фактор, который следует учитывать при оценке качества воды. Помимо собственных эффектов, температура влияет на несколько других параметров и может изменять физические и химические свойства воды. В связи с этим при определении температуры воды следует учитывать ⁷:

— Скорость метаболизма и производство фотосинтеза
— Токсичность соединения
— Концентрации растворенного кислорода и других растворенных газов
— Электропроводность и соленость
— Потенциал восстановления окисления (ОВП)
— pH
— Плотность воды

Температура воды и водная жизнь

Скорость метаболизма водных организмов увеличивается с повышением температуры воды.

Сама по себе температура воды может влиять на скорость метаболизма и биологическую активность водных организмов ¹⁴. Таким образом, он влияет на выбранные среды обитания различных водных организмов ⁸. Некоторые организмы, особенно водные растения, процветают при более высоких температурах, в то время как некоторые рыбы, такие как форель или лосось, предпочитают более холодные ручьи ⁸.

Исследования показали прямую зависимость между скоростью метаболизма и температурой воды. Это происходит, поскольку многие клеточные ферменты более активны при более высоких температурах ¹⁸.Для большинства рыб повышение температуры воды на 10 ° C примерно вдвое увеличивает скорость их физиологической функции ¹⁶. Некоторые виды могут справиться с повышением скорости метаболизма лучше, чем другие. Повышение метаболической функции можно заметить по частоте дыхания и пищеварительной реакции у большинства видов. Повышенная частота дыхания при более высоких температурах приводит к повышенному потреблению кислорода, что может иметь пагубные последствия, если частота дыхания остается повышенной в течение длительного периода времени. Кроме того, температура выше 35 ° C может привести к денатурированию или разрушению ферментов, снижая метаболическую функцию. ¹⁸.

Колебания температуры также могут влиять на выбор поведения водных организмов, например, переход в более теплую или более прохладную воду после кормления, реакции хищников и жертв и режимы отдыха или миграции ¹⁶. Некоторые виды акул и скатов даже ищут более теплые воды во время беременности. ¹⁶.

Температура влияет на скорость фотосинтеза различных водорослей.

Растения также подвержены влиянию температуры воды. В то время как некоторые водные растения переносят более прохладную воду, большинство предпочитает более теплые температуры ¹⁷.В частности, тропические растения будут демонстрировать ограниченный рост и период покоя при температуре воды ниже 21 ° C. ¹⁷. В то время как покой подходит для выживания в холодную зиму, для процветания большинства растений требуются более высокие температуры.

Температура также может подавлять дыхание и фотосинтез растений ¹⁴. В целом фотосинтез водорослей будет увеличиваться с повышением температуры, хотя разные виды будут иметь разные пиковые температуры для оптимальной фотосинтетической активности ¹⁴.Выше и ниже этой температуры фотосинтез будет снижен.

Токсичность соединения и температура воды

Температура воды может играть роль в переходе между аммиаком и аммиаком в воде.

Помимо воздействия на водные организмы, высокие температуры воды могут повышать растворимость и, следовательно, токсичность некоторых соединений. ¹. Эти элементы включают тяжелые металлы, такие как кадмий, цинк и свинец, а также такие соединения, как аммиак ^19,20.Температура воды может не только увеличивать растворимость токсичных соединений, но также влиять на предел переносимости организмом ¹⁹. Смертность цинка значительно выше при температуре выше 25 ° C, чем при температуре ниже 20 ° C. ¹⁹. Это происходит потому, что проницаемость тканей, скорость метаболизма и потребление кислорода увеличиваются с повышением температуры воды ¹⁹. В одном исследовании на рыбе labeo bata 24-часовая 50% летальная концентрация (LC50) при 15 ° C составила 540 мг / л, в то время как при 30 ° C LC50 упала до 210 мг / л ¹⁹.

Концентрация растворенного кислорода зависит от температуры. Чем теплее вода, тем меньше кислорода она может удерживать.

Аммиак известен своей токсичностью при высоких уровнях pH, но температура также может влиять на критические концентрации при острых и хронических заболеваниях. ²¹. При низких температурах и нейтральном pH следующее уравнение остается смещенным влево, образуя нетоксичный ион аммония:

Nh4 + h3O <=> Nh5 + + OH-

Однако на каждые 10 ° C повышения температуры соотношение из неионизированного аммиака в удвоение аммония ²¹.В 2013 году EPA определило, что максимальная концентрация критерия для пресноводных видов составляет 17 мг / л общего аммиака-азота (включая Nh4 и Nh5 +) из-за его потенциального скачка токсичности при более высоких значениях pH и температуре ²¹.

Температура растворенного кислорода и воды

Растворимость кислорода и других газов будет уменьшаться при повышении температуры ⁹. Это означает, что более холодные озера и ручьи могут содержать больше растворенного кислорода, чем более теплые воды. Если вода слишком теплая, она не будет содержать достаточно кислорода для выживания водных организмов.

Электропроводность и температура воды

Температура воды может влиять на проводимость двумя способами. Поскольку проводимость измеряется электрическим потенциалом ионов в растворе, на нее влияют концентрация, заряд и подвижность этих ионов ¹¹.

Температура воды влияет на вязкость, что, в свою очередь, влияет на ионную активность и проводимость.

Ионная подвижность зависит от вязкости, которая, в свою очередь, зависит от температуры ¹³. Вязкость означает способность жидкости сопротивляться потоку ²³.Чем он более вязкий, тем менее жидкий; патока и ртуть более вязкие, чем вода. Обратная зависимость между температурой и вязкостью означает, что повышение температуры приведет к снижению вязкости. ¹⁴. Уменьшение вязкости воды увеличивает подвижность ионов в воде. Таким образом, повышение температуры увеличивает проводимость ¹¹.

Электропроводность увеличивается примерно на 2-3% при повышении температуры на 1 ° C, хотя в чистой воде она увеличивается примерно на 5% на 1 ° C. ¹¹.Этот вариант является причиной того, что многие профессионалы используют стандартизированное сравнение проводимости, известное как удельная проводимость, то есть с поправкой на температуру до 25 ° C ¹⁰.

Многие соли более растворимы при более высоких температурах.

Второй способ влияния температуры на проводимость — концентрация ионов. Многие соли более растворимы при более высоких температурах ²². Когда соль растворяется, она распадается на соответствующие ионы. Так как теплая вода растворяет некоторые минералы и соли легче, чем холодная вода, концентрация ионов часто выше ⁹. Повышенное содержание минералов и ионов можно заметить в природных горячих источниках, которые рекламируют свои «целебные» свойства. ⁵⁰. Эти растворенные вещества часто называют общим количеством растворенных твердых веществ или TDS ¹². TDS относится ко всем ионным частицам в растворе, размер которых меньше 2 микрон ²⁴. Эти соли и минералы попадают в воду из горных пород и наносов, контактирующих с ними. По мере их растворения и увеличения концентрации ионов увеличивается и проводимость воды.

Скорость увеличения проводимости зависит от солей, присутствующих в растворе. ²².Растворимость KCl увеличится с 28 г KCl / 100 г h3O при 0 ° C до 56 г KCl / 100 г h30 при 100 ° C, в то время как растворимость NaCl увеличится только с 35,6 г до 38,9 г NaCl / 100 г h30 в том же диапазоне температур. . Кроме того, есть несколько солей, которые становятся менее растворимыми при более высоких температурах и, таким образом, отрицательно влияют на проводимость. ²².

Потенциал окисления и температура воды

Температура воды влияет на ОВП, но до какой степени трудно определить в полевых условиях.Окислительно-восстановительные частицы в калибровочных растворах известны количественно, и, таким образом, можно измерить влияние температуры.

Окислительно-восстановительный потенциал, известный как ОВП, также зависит от температуры. Влияние температуры на значения ОВП зависит от химических веществ (атомов, молекул и ионов), присутствующих в растворе ²⁵. Графики температурной зависимости обычно доступны для калибровочных растворов, но не для полевых образцов ²⁵.

Этот недостаток данных связан с трудностью идентификации и измерения всех окислительно-восстановительных видов, которые могут присутствовать в любом данном источнике воды.Поскольку эти виды трудно узнать и количественно определить в исследованиях окружающей среды, большинство электродов ОВП не будут автоматически компенсировать температуру. Однако температура по-прежнему может изменять показания, и ее следует регистрировать при каждом измерении, учитываемом при анализе данных ²⁶.

pH и температура воды

Температура воды может изменять количество присутствующих ионов, изменяя pH раствора, не делая его более кислым или щелочным.

pH рассчитывается по количеству ионов водорода в растворе.При pH 7 ионы водорода и гидроксила имеют равные концентрации, 1 x 10-7 M, сохраняя раствор нейтральным ²⁷. Однако эти концентрации сохраняются только при 25 ° C. При повышении или понижении температуры концентрации ионов также будут сдвигаться, что приведет к смещению значения pH ²⁷. Этот ответ объясняется принципом Ле Шателье. Любое изменение системы в состоянии равновесия, такое как добавление реагента или изменение температуры, будет сдвигать систему до тех пор, пока она снова не достигнет равновесия ²⁸.
Уравнение:

h30 H + + OH-

— экзотермическая реакция ²⁸. Это означает, что если температура воды увеличится, уравнение сместится влево, чтобы снова достичь равновесия. Сдвиг влево уменьшает количество ионов в воде, увеличивая pH. Точно так же, если бы температура снизилась, уравнение сместилось бы вправо, увеличивая концентрацию ионов и уменьшая pH.

pH чистой воды изменяется в зависимости от температуры, оставаясь при этом совершенно нейтральным.Чистая вода имеет pH всего 7,0 при 25 градусах Цельсия.

Однако это не означает, что изменение температуры сделает раствор более кислым или щелочным. Поскольку соотношение ионов водорода и гидроксила остается неизменным, кислотность воды не меняется с температурой ²⁸. Вместо этого изменяется весь диапазон pH, так что нейтральная вода будет иметь значение, отличное от 7. Чистая вода останется нейтральной при 0 ° C (pH 7,47), 25 ° C. (pH 7,00) или 100 ° C. (pH 6,14).

Плотность и температура воды

Температура воды и плотность воды напрямую связаны.По мере увеличения или уменьшения температуры воды изменяется ее плотность. Это уникальное соотношение, так как в отличие от большинства материалов плотность чистой воды уменьшается примерно на 9% при замерзании ²⁹. Вот почему лед расширяется и плавает по воде. Чистая вода уникальна еще и тем, что достигает максимальной плотности 1,00 г / мл при 4 ° C ²⁹. Вода с температурой выше и ниже этой, включая перегретую и переохлажденную воду, будет плавать в воде с температурой 4 ° C.

Айсберги — яркий пример того, как лед плавает над водой.Фото предоставлено Национальной океанской службой NOAA через Flickr

Точки температуры пресной воды

Вода наиболее плотная при 4 градусах Цельсия и наименее плотна в твердой форме, такой как лед.

Точка максимальной плотности особенно важна в пресной воде. Если бы вода была наиболее плотной при температуре замерзания (0 ° C), она бы опустилась на дно, замораживая водоем снизу вверх, убивая все живущие в нем организмы ²⁹. Вместо этого это свойство гарантирует, что температура на дне водоема будет оставаться не менее 4 ° C и, следовательно, незамерзшей. ³⁰.Соотношение температуры и плотности, таким образом, создает картину конвекции воды при ее охлаждении. Когда температура поверхностной воды приближается к температуре максимальной плотности, она опускается и заменяется более теплой и легкой водой ⁴². Этот процесс продолжается до тех пор, пока вода не остынет равномерно. Любая вода, которая холоднее этой точки, будет плавать поверх более плотной воды. Такой режим конвекции позволяет смешивать воду как теплее, так и холоднее 4 ° C (и при потенциально различных концентрациях растворенного кислорода) ³⁰.Этот процесс происходит сезонно в голомиктических (смешивающихся) озерах, когда температура воды (и, следовательно, другие параметры) достигают равновесия ¹⁴.

Точки температуры соленой воды

Точка замерзания и максимальная плотность уменьшаются по мере увеличения уровня солености.

Важно отметить, что соленость не только влияет на плотность воды, но и может изменить максимальную плотность и точки замерзания воды. По мере увеличения концентрации соли максимальная плотность и температура замерзания уменьшаются. ¹⁴.Средняя морская вода имеет уровень солености 35 PPT (частей на тысячу) и смещенную максимальную плотность -3,5 ° C ¹⁴. Это более чем на 7 ° отличается от пресной воды и ниже точки замерзания морской воды, равной 1,9 ° C ¹⁴. Однако эта максимальная плотность никогда не достигается ³⁹. Вместо этого в процессе конвекции охлаждающая вода просто циркулирует до тех пор, пока весь столб воды на поверхности не достигнет точки замерзания ⁴². Поскольку фазовая граница между жидкостью и твердым телом требует надлежащего давления, а также температуры, лед образуется только на поверхности ³⁰.

Самая низкая зарегистрированная температура естественной морской воды составляла -2,6 ° C, зарегистрированная под антарктическим ледником ³⁸. Аналогичным образом, самые холодные зарегистрированные океанические течения составляли -2,2 ° C на глубине 500 м. В обоих случаях гидростатическое давление позволяло воде оставаться жидкой при таких низких температурах ³⁸.

Ice Formation

Лед плавает поверх более плотной воды.

Общеизвестно, что пресная вода начинает замерзать при 0 ° C. Однако у соленой воды температура замерзания ниже.Вот почему соль используется зимой для удаления льда с дорог и тротуаров. Средняя морская вода имеет уровень солености 35 PPT (частей на тысячу), что сдвигает точку замерзания до -1,9 ° C ¹⁴.

Плотность чистого водяного льда при 0 ° C составляет 0,9168 г / мл, что почти на 9% легче, чем жидкая вода при 0 ° C, которая имеет плотность 0,99987 г / мл ¹⁴. Это не кажется большой разницей, но этого достаточно, чтобы лед плавал поверх воды и позволял водным организмам пережить зиму.Это падение плотности происходит из-за того, что водородные связи в воде создают открытую гексагональную решетку, оставляя пространство между молекулами ⁴².

Многолетний лед в Антарктиде свежее морского льда.

Фотография предоставлена ICESCAPE через NASA

Лед, образующийся в морской воде, даже менее плотен, чем пресноводный лед ⁴⁰. Когда морская вода начинает замерзать, молекулы воды начинают образовывать кристаллическую решетку (как в пресной воде). Эти кристаллы содержат только молекулы воды, а не ионы солей, и образование известно как исключение рассола ⁴³.По мере роста структуры льда очаги концентрированной соленой воды могут быть захвачены внутри льда, но не включены в его структуру. Захваченная вода со временем может стечь, оставив во льду небольшой пузырь воздуха. Оставленные пузырьки воздуха значительно снижают плотность льда — до 0,8-0,9 г / мл ⁴⁰.

Новый морской лед может иметь соленый привкус из-за захваченного рассола, который еще не вышел. В более старых ледяных структурах, называемых многолетним льдом, не остается рассола, и они достаточно свежие, чтобы их можно было пить после таяния. ⁴¹.

Отношение температура / плотность также способствует стратификации.

Термическая стратификация

Тепловое изображение стратификации Ледяного озера за период 22 месяца. Озеро перемешивается каждую весну и осень, выравнивая температуру по всему озеру. Термоклин существует на разных глубинах в зависимости от сезона.

Стратификация — это разделение водяного столба на слои или слои воды с различными свойствами. Эти деления обычно определяются по температуре и плотности, хотя могут использоваться и другие параметры, такие как соленость и химические различия. ³¹.Расслоение происходит потому, что для смешивания жидкостей разной плотности требуется работа (сила и перемещение) ¹⁴. Термическая стратификация обычно носит сезонный характер, с четкими границами между слоями летом, более узкими слоями зимой и «круговоротом» весной и осенью, когда температура в толще воды достаточно равномерна. ³². С течением времени года солнечный свет, ветер, температура окружающей среды и лед (зимой) заставляют озеро сдерживаться. ³².

Когда речь идет о слоях температуры и плотности в озере, эти слои обычно называют эпилимнионом, металимнионом и гиполимнионом сверху вниз ¹⁴. Верхний слой, эпилимнион, подвергается солнечному излучению и тепловому контакту с атмосферой, сохраняя ее теплее. Эпилимнион простирается настолько далеко, насколько позволяют солнечный свет и ветер, и обычно глубже в озерах с большей площадью поверхности ¹⁴.

Стратификация озера — разные слои разделены термоклинами или температурными градиентами.

Ниже эпилимниона находится слой воды с быстро меняющимся диапазоном температур, известный как металимнион ³². Металимнион служит границей между верхним и нижним слоями воды. Температура в этом слое может сильно варьироваться между его верхней и нижней глубинами ¹⁴. Кроме того, толщина и глубина металимниона может изменяться в зависимости от погодных условий и сезонных изменений. ¹⁴.

Металлимнион окаймлен сверху и снизу кромкой, называемой термоклином. Термоклин определяется как плоскость максимального понижения температуры ¹⁴. Другими словами, когда температура воды начинает значительно падать, термоклин пересечен. Этой плоскостью принято считать глубину, на которой температура снижается со скоростью более 1 ° C на метр ¹⁴. Поскольку температура и плотность взаимосвязаны, на тех же глубинах существует второй клин, известный как пикноклин. Пикноклин разделяет толщу водной толщи по плотности ³³.

Ниже второго термоклина и пикноклина находится гиполимнион. Эти слои обычно слишком глубоки, чтобы на них влияли ветер, солнечная радиация и атмосферный теплообмен ³¹. Температура гиполимниона обычно определяется весенним оборотом. В более глубоких озерах перемешивание может быть минимальным, и гиполимнион останется около максимальной плотности, или 4 ° C ¹⁴. Более мелкие озера могут повышать температуру гиполимниона до более чем 10 ° C. Эта температура может измениться лишь минимально, если вообще изменится, пока стратифицирована ¹⁴.

Озера, которые полностью перемешиваются не реже одного раза в год, известны как голомиктические озера ¹⁴. Есть шесть типов голомиктических озер, определения которых основаны на средней температуре и частоте совпадения значений ¹⁴. Эти озера и их факторы разделения можно увидеть на следующей блок-схеме:

Блок-схема классификации озер Хатчинсона и Лоффлера на основе стратификации и моделей циркуляции.

Озера, которые не полностью перемешиваются, называются меромиктическими озерами. ¹⁴.Эти озера имеют нижний слой, который остается изолированным в течение всего года. Этот нижний слой известен как монимолимнион и обычно отделен от коллективных слоев над ним (миксолимнион) галоклином (клин на основе солености) ³¹. Меромиктические условия могут возникать в голомиктическом озере, когда необычные погодные условия заставляют озеро расслаиваться до того, как оно успевает полностью перемешаться. ¹⁴.

Точки давления и температуры воды

Давление не влияет напрямую на температуру воды. Вместо этого он смещает точки замерзания, кипения и максимальной плотности. Температура, при которой происходит кипение и замерзание, сохраняется только на уровне моря ³.

Давление может изменить температуру кипения воды.

Как указано в некоторых рецептах, время приготовления на больших высотах больше из-за сдвига точки кипения воды. Это связано с действием атмосферного давления. При более низком давлении (на большей высоте) вода закипит при более низкой температуре. С другой стороны, при более высоком давлении (например, в скороварке) вода закипает при более высокой температуре ³⁴.Атмосферное давление не влияет на температуру самой воды, а влияет только на ее способность превращаться в пар, сдвигая, таким образом, кипение влево или вправо.

Давление также объясняет, почему лед образуется только на поверхности воды. По мере увеличения гидростатического давления точка замерзания понижается ³⁰. На больших высотах (более низкое давление) наблюдается небольшое повышение точки замерзания, но изменение давления недостаточно, чтобы существенно повлиять на точку ³⁰.

Какие факторы влияют на температуру воды?

На температуру воды могут влиять многие окружающие условия. Эти элементы включают солнечный свет / солнечное излучение, теплопередачу из атмосферы, слияние ручьев и мутность. Мелководные и поверхностные воды более подвержены влиянию этих факторов, чем глубоководные ³⁷.

Солнечный свет

Солнечное излучение оказывает наибольшее влияние на температуру воды.

Самый большой источник теплопередачи к температуре воды — солнечный свет ³⁶.Солнечный свет или солнечное излучение — это форма тепловой энергии ⁴⁵. Затем эта энергия передается поверхности воды в виде тепла, повышая температуру воды. Эта теплопередача происходит из-за относительно низкого альбедо воды ⁴⁴. Альбедо — это определяемое качество способности поверхности отражать или поглощать солнечный свет. Низкое альбедо воды означает, что она поглощает больше энергии, чем отражает ⁴⁴. Результат — суточные колебания температуры воды в зависимости от количества солнечного света, получаемого водой.

Если водоем достаточно глубок, чтобы расслаиваться, солнечный свет будет передавать тепло только через фотическую зону (достигая света). Большая часть этой энергии (более половины) поглощается в первых 2 м воды ¹⁴. Эта энергия будет продолжать поглощаться экспоненциально, пока свет не исчезнет. Фотическая зона различается по глубине, но может достигать 200 м в океанах ⁴⁶. Глубина фотической зоны зависит от количества твердых частиц и других светорассеивающих элементов, присутствующих в воде.Температура воды ниже фотической зоны обычно изменяется только при смешивании воды ³⁷. Таким образом, более мелкие водоемы нагреваются быстрее и достигают более высоких температур, чем более глубокие водоемы ¹.

Атмосфера

Реки могут казаться парящими зимой, когда более холодный воздух течет над более теплой водой. Фото: Энтони ДеЛоренцо через Flickr

Атмосферная теплопередача происходит на поверхности воды. Поскольку тепло всегда течет от более высокой температуры к более низкой температуре, эта передача может происходить в обоих направлениях ⁶. Когда воздух холодный, теплая вода передает энергию воздуху и остывает. Это движение часто можно увидеть в виде тумана или «дымящейся» реки ¹⁴. Если воздух горячий, холодная вода получит энергию и согреет. Степень этой передачи зависит от тепловой инерции и удельной теплоемкости воды ¹⁴. Колебания температуры воды более постепенные, чем колебания температуры воздуха ¹⁴.

Мутность

Мониторинг мутности во время проекта дноуглубительных работ на реке Пассаик.Мутность может повысить температуру воды.

Повышенная мутность также увеличивает температуру воды. Мутность — это количество взвешенных твердых частиц в воде. Эти взвешенные частицы поглощают тепло солнечного излучения более эффективно, чем вода ⁴⁷. Затем тепло передается от частиц к молекулам воды, повышая температуру окружающей воды ⁴⁷.

Confluence

Поскольку река впадает в озеро, это может влиять на температуру воды.Фото: Роберто Арая Баркхан через Wikimedia Commons

Подземные воды, ручьи и реки могут изменять температуру водоема, в который они впадают. Если родник или источник грунтовых вод холоднее реки, в которую он впадает, река станет прохладнее. Вспоминая правила теплопередачи (энергия течет от горячей к холодной), река теряет энергию более холодной воде, поскольку она ее нагревает ⁶. Если приток большой или достаточно быстрый, равновесная температура воды будет близка к температуре притока ¹.Водотоки с ледниковым питанием будут охладить соединяющиеся реки вблизи источника потока, чем дальше вниз по течению ¹.

Антропогенное воздействие

Термическое загрязнение от городских и промышленных сточных вод может отрицательно сказаться на качестве воды. Фото: Вменков через Wikimedia Commons

Антропогенное воздействие на температуру воды включает тепловое загрязнение, сток, вырубку лесов и водохранилища.

Термическое загрязнение
Термическое загрязнение — это любой сброс, который резко изменит температуру природного источника воды ⁴⁸. Это загрязнение обычно происходит из городских или промышленных сточных вод ¹. Если температура слива значительно выше температуры естественной воды, это может отрицательно сказаться на качестве воды. Существует несколько серьезных последствий теплового загрязнения, включая снижение уровня растворенного кислорода, гибель рыбы и приток инвазивных видов ⁴⁸.

Сток с парковок и других непроницаемых поверхностей — еще одна форма теплового загрязнения. Вода, стекающая с этих поверхностей, поглощает большую часть их тепла и передает его ближайшему ручью или реке, повышая температуру до ⁹.

Вырубка леса
Не только искусственные добавки могут повлиять на температуру воды. Вода, затененная растительностью и другими объектами, не будет поглощать столько тепла, как освещенная солнцем вода ¹⁴. Когда деревья или прибрежные навесы удаляются, водоем может стать необычно теплым, изменяя его естественный цикл и среду обитания ⁴⁸.

Водохранилища

Плотина Маккензи изменила характер температуры воды ниже по течению, что повлияло на поведение рыб, особенно на воспроизводство.

Водохранилища, такие как плотины, могут резко повлиять на циклы температуры воды. Хотя плотина напрямую не передает тепло воде, она может повлиять на естественные закономерности нагрева и охлаждения воды ⁹. Действующая плотина без раздвижных ворот может изменить температуру воды ниже по течению от плотины, что может повлиять на поведение местного населения рыб.

Изменение температурного режима может повлиять на миграцию, нерест и вылупление местных видов рыб. ⁹.Температурный режим изменится, если водохранилище расслоится, а сброс плотины будет слишком высоким или слишком низким, выпуская необычно холодную или необычно теплую воду в поток ⁹.

Типичные температуры

Сезонные колебания температуры в США.

Температура воды может варьироваться от замороженного льда до почти кипящей, так что же определяет «типичную» температуру? Типичные температуры зависят от 1) типа водоема 2) глубины 3) сезона 4) широты 5) окружающей среды. Хотя конкретный водоем может иметь общую схему, которой он следует ежегодно, окончательной «типичной» температуры воды не существует. Даже конкретный водоем может отличаться из-за любого из этих источников; озеро может замерзнуть за одну зиму, но может не замерзнуть в следующем году из-за теплой зимы. Оба года он следует одной и той же схеме потепления и похолодания, но не достигает одинаковых температур. Любые «необычные» температуры следует рассматривать в контексте.

Реки и ручьи, как правило, подвержены более сильным и быстрым колебаниям температуры, чем озера и океаны ¹⁴.Точно так же широкие и мелкие озера будут теплее, чем их более глубокие аналоги. Из-за изменения угла солнечной радиации и влияния атмосферной теплопередачи температура воды будет сезонно меняться ⁴⁴. Поскольку солнечная радиация более интенсивна вблизи экватора, вода на более низких широтах будет теплее, чем вода на более высоких широтах ⁴⁴. Затененные потоки не будут так подвержены влиянию солнечного излучения, как их открытые аналоги, и могут оставаться более прохладными. Водоемы, на которые влияет поток грунтовых вод или ледниковый поток, также будут более холодными ¹.

Температура океана также зависит от сезона, широты, глубины, океанских течений и конвекции. ⁵¹. Поверхностные воды будут больше изменяться в зависимости от сезона и широты, чем более глубокие воды, и будут демонстрировать суточные (суточные) колебания из-за солнечной радиации и ветра ⁵³. Эти суточные колебания могут достигать 6 градусов Цельсия ⁵³. Из-за своих огромных размеров и высокой удельной теплоемкости воды океан имеет столь же большую теплоемкость ¹⁴. Это означает, что колебания между сезонами или из-за необычных событий будут иметь лишь незначительное влияние ⁵¹.Исследования показали, что за прошедшее столетие океан нагрелся примерно на 0,1 градуса Цельсия ⁵². Хотя это число кажется небольшим, оно довольно велико по сравнению с размером океана.

Температура поверхности моря в декабре 2013 года.

Изображение предоставлено: JPL Regional Ocean Modeling System через NASA

Температура океана играет важную роль в атмосферных условиях во всем мире. В зависимости от температуры океана могут возникать ураганы, циклоны, грозы и другие погодные явления. ⁵³.Муссоны могут возникать при большой разнице температур между сушей и морем, вызывая циклические осадки и штормы ³⁵. Ураганы и циклоны развиваются над теплой водой, где тепло может быстро передаваться воздуху посредством конвекции ⁵⁴. Точно так же снег в виде озера и другие сильные осадки могут образовываться, когда холодный воздух течет над большим, более теплым водоемом ⁵⁵. Океан также взаимодействует с атмосферой, создавая явления Эль-Ниньо и Ла-Нинья.Эль-Ниньо описывает потепление Тихого океана из-за отсутствия ветра, который изменяет глубину термоклина. Это потепление, в свою очередь, влияет на погодные и температурные режимы по всему миру ³⁵. Ла-Нинья — это противоположное состояние океана, где температура ниже нормы, как правило, с обратным воздействием на погоду ³⁵. Эти события нерегулярны, происходят каждые 2-7 лет. Они могут длиться от 9 месяцев до пары лет, в зависимости от силы эпизода ³⁵.

На этих картах показаны колебания температуры поверхности на Тихоокеанском экваторе. В условиях Ла-Ниньо полоса холодной воды выталкивается на запад вдоль экватора, в то время как в условиях Эль-Ниньо преобладают теплые температуры. Изображение предоставлено: Дай МакКлург, проект TAO через NOAA

Уникальные условия

Бассейн утренней славы в Йеллоустонском национальном парке является примером горячего источника. Фото: Джон Салливан

Есть несколько водоемов с уникальными уровнями температуры.Наиболее известные примеры — горячие источники. Горячие источники, также известные как гидротермальные источники, питаются подземными водами, которые значительно теплее, чем другие потоки ⁵⁰. Эти уникальные воды согреваются геотермальным теплом. Этот перенос тепла может происходить от потоков грунтовых вод, которые уходят достаточно глубоко в земную кору или которые вступают в контакт с магмой в вулканических зонах ⁵⁰. Горячие источники остаются намного теплее, чем температура окружающей среды, а некоторые вулканические горячие источники даже достигают температуры кипения ⁵⁰.

Другой уникальный водоем — гелиотермические озера. Эти озера обычно являются солеными, меромиктическими озерами, что означает, что когда они расслаиваются, только верхний слой воды будет смешиваться. ¹⁴. Как обсуждалось в разделе стратификации, слои разделены галоклином, при этом миксолимнион остается довольно свежим, а нижний монимолимнион содержит более высокую концентрацию соли ¹⁴. Когда это расслоение попадает в фотическую зону, происходят необычные события.Солнечный свет, достигающий монимолимниона, нагревает воду. Это тепло не может уйти, потому что на плотность нижнего слоя солевого раствора не оказывает существенного влияния повышение температуры ¹⁴. В результате образуется тепловая ловушка в галоклине, где температура может легко достигать 50 ° C и выше ¹⁴. Горячее озеро в Вашингтоне — один из примеров гелиотермического озера, где галоклин остается около 30 ° C, даже когда озеро покрыто льдом ¹⁴.

Последствия необычных уровней

Максимально рекомендуемые уровни температуры для различных видов рыб на разных этапах жизни.

Слишком теплая вода обычно считается более опасной для водных организмов, чем холодная вода. Однако оба эти фактора могут влиять на рост, переносимость болезней и выживаемость. ⁸. Слишком холодная вода влияет на биологические процессы и скорость метаболизма водных организмов ¹⁴. С другой стороны, слишком теплая вода может вызвать чрезмерную частоту дыхания и стресс у рыб. Теплая вода также не может удерживать столько растворенного кислорода, как холодная вода, поэтому меньше кислорода доступно для поглощения организмами ¹⁴.У каждого вида рыб свой диапазон комфорта. Температура вне этого диапазона может быть вредна для роста и выживания. Лосось и форель предпочитают плавать в более холодных реках, тогда как большеротый и малоротый окунь переносят гораздо более теплые воды как для роста, так и для нереста ⁸.

Важность мониторинга

Итак, как определить качество воды по температуре? EPA и некоторые штаты, включая Аляску, Айдахо, Орегон и Вашингтон, рекомендовали максимальные сезонные и региональные температуры ⁴⁹.В других штатах числовое значение отсутствует, и вместо этого указывается «отсутствие измеримых изменений по сравнению с естественными условиями» ¹. Это ставит во главу угла тщательный и долгосрочный мониторинг. Чем больше исторических данных доступно, тем больше аномальных колебаний можно обнаружить и устранить. Если озеро, которое обычно стратифицируется год за годом около 20 ° C и 8 ° C в эпилимнионе и гиполимнионе, начинает показывать 23 ° C и 17 ° C соответственно, оно может стать эвтрофным (богатым питательными веществами, часто гипоксическим) из-за сельскохозяйственных стоков ¹.

Влияние температуры воды на множество других параметров делает ее тонким, но жизненно важным фактором при определении качества воды.

Какие единицы?

Наиболее распространенные температурные шкалы: Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.

Поскольку температура измеряет тепловую энергию, были разработаны шкалы, показывающие значения температуры относительно других значений. Сегодня температура воды обычно измеряется по одной из трех шкал: Цельсия, Фаренгейта или Кельвина ².При использовании шкалы Цельсия или Фаренгейта температура измеряется в градусах. По шкале Кельвина единицей измерения является кельвин, но это та же величина, что и градус Цельсия ². Из-за универсального использования температура воды обычно указывается по шкале Цельсия ¹.

Шкала Фаренгейта и Цельсия определяется градусами замерзания и кипения воды. ³. Шкала Цельсия также называется шкалой Цельсия, потому что между двумя определенными точками (замерзание и кипение воды) находится интервал в 100 градусов. ².Шкала Кельвина основана на теоретической точке абсолютного нуля ².

Температура в градусах Цельсия может быть преобразована в градусы Фаренгейта или Кельвина с помощью следующих уравнений: ³:

° F = (1,8 * ° C) + 32
K = ° C + 273,15

Цитируйте эту работу

Fondriest Environmental , Inc. «Температура воды». Основы экологических измерений. 7 февраля 2014 г. Web. .

Дополнительная информация

Масса, вес, плотность или удельный вес воды при различных температурах

Резюме: — Масса, вес, плотность или удельный вес воды при различных температурах C и термический коэффициент расширения воды

добавить в избранное или добавить эту страницу в закладки		Плотность, уд. Воды при разных температурах

При 4 ° C чистая вода имеет плотность (вес или массу) около 1 г / куб.см, 1 г / мл,
1 кг / литр, 1000 кг / куб. м, 1 тонна / куб. м или 62,4 фунта / куб. фут
При 4 ° C чистая вода имеет удельный вес 1. (Некоторые ссылаются на базовую температуру, например, как 60 ° F).
Вода необходима для жизни. Большинство животных и растений содержат более 60% воды по объему.
Более 70% поверхности Земли покрыто около 1,36 миллиарда кубических километров воды / льда
Плотность чистая вода является постоянной при определенной температуре и не зависит от от размера выборки. То есть это интенсивное свойство. В плотность воды зависит от температуры и примесей.
Вода — единственное вещество на Земле, которое существует во всех трех физических состояниях материи: твердом, жидком и газообразном.
Когда вода замерзает, она быстро расширяется, добавляя около 9% по объему. Пресная вода имеет максимальную плотность около 4 ° по Цельсию. Вода — единственное вещество, у которого при затвердевании не возникает максимальной плотности. Поскольку лед легче воды, он плавает.
Вода имеет очень простую атомную структуру. Эта структура состоит из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода — H ₂ O
Примечание; кг / м ³ разделить на 16,02 = фунт / куб. фут. кг / м ³ разделить на 1000 = г / мл
Перевести г / см ³ = г / куб.см = г / мл = г / мл — все они одинаковы.

Таблица плотности чистой и водопроводной воды и удельного веса

Температура (° C)	Плотность чистая вода (г / см ³)	Плотность чистая вода (кг / м ³⁾	Плотность кран вода (г / см ³)	Плотность чистая вода фунт / куб. футов	Удельный вес Ссылка 4 ° C	Удельная Плотность 60 ° F Ссылка
0 (сплошной)	0.9150	915,0	—	—	0,915	—
0 (жидкость)	0. 9999	999,9	0,99987	62,42	0.999	1,002
4	1,0000	1000	0. 99999	62,42	1.000	1,001
20	0.9982	998,2	0,99823	62,28	0. 998	0,999
40	0,9922	992.2	0,99225	61,92	0,992	0.993
60	0,9832	983,2	0. 98389	61,39	0,983	0,985
80	0.9718	971,8	0,97487	60,65	0. 972	0,973
100 (газ)	0,0006				—	—

* Это для средней чистой питьевой воды.Он будет отличаться от региона к району.

Связанные страницы

Другое полезные разделы

Для использования таблицы ниже , бегите вниз по левому столбцу на целые градусы, затем переходите на десятые доли градуса.

Например, строка / столбец, заштрихованные желтым цветом, показывают плотность чистой воды при 17,7 ° C = 0,998650 г / см ³

Плотность воды (г / см

³) при температуре от 0 ° C (жидкое состояние) до 30,9 ° C на 0,1 ° C вкл.

спасибо к Чаку Снеллингу

	0,0	0.1	0,2	0,3	0,4	0,5	0. 6	0,7	0,8	0,9
0	0,999841	0,999847	0.999854	0,999860	0,999866	0,999872	0,999878	0,999884	0,999889	0,999895
1	0,999900	0,999905	0,999909	0,999914	0,999918	0. 999923	0,999927	0,999930	0,999934	0,999938
2	0,999941	0,999944	0,999947	0,999950	0,999953	0,999955	0,999958	0,999960	0.999962	0,999964
3	0,999965	0,999967	0,999968	0,999969	0,999970	0,999971	0,999972	0,999972	0,999973	0,999973
4	0. 999973	0,999973	0,999973	0,999972	0,999972	0,999972	0,999970	0,999969	0,999968	0,999966
5	0,999965	0,999963	0,999961	0.999959	0,999957	0,999955	0,999952	0,999950	0,999947	0,999944
6	0,999941	0,999938	0,999935	0,999931	0,999927	0,999924	0. 999920	0,999916	0,999911	0,999907
7	0,999902	0,999898	0,999893	0,999888	0,999883	0,999877	0,999872	0,999866	0,999861	0.999855
8	0,999849	0,999843	0,999837	0,999830	0,999824	0,999817	0,999810	0,999803	0,999796	0,999789
9	0. 999781	0,999774	0,999766	0,999758	0,999751	0,999742	0,999734	0,999726	0,999717	0,999709
10	0,999700	0,999691	0,999682	0.999673	0,999664	0,999654	0,999645	0,999635	0,999625	0,999615
11	0,999605	0,999595	0,999585	0,999574	0,999564	0,999553	0. 999542	0,999531	0,999520	0,999509
12	0,999498	0,999486	0,999475	0,999463	0,999451	0,999439	0,999427	0,999415	0,999402	0.999390
13	0,999377	0,999364	0,999352	0,999339	0,999326	0,999312	0,999299	0,999285	0,999272	0,999258
14	0. 999244	0,999230	0,999216	0,999202	0,999188	0,999173	0,999159	0,999144	0,999129	0,999114
15	0,999099	0,999084	0,999069	0.999054	0,999038	0,999023	0,999007	0,998991	0,998975	0,998959
16	0,998943	0,998926	0,998910	0,998893	0,998877	0,998860	0. 998843	0,998826	0,998809	0,998792
17	0,998774	0,998757	0,998739	0,998722	0,998704	0,998686	0,998668	0,998650	0,998632	0.998613
18	0,998595	0,998576	0,998558	0,998539	0,998520	0,998501	0,998482	0,998463	0,998444	0,998424
19	0. 998405	0,998385	0,998365	0,998345	0,998325	0,998305	0,998285	0,998265	0,998244	0,998224
20	0,998203	0,998183	0,998162	0.998141	0,998120	0,998099	0,998078	0,998056	0,998035	0,998013
21	0,997992	0,997970	0,997948	0,997926	0,997904	0,997882	0. 997860	0,997837	0,997815	0,997792
22	0,997770	0,997747	0,997724	0,997701	0,997678	0,997655	0,997632	0,997608	0,997585	0.997561
23	0,997538	0,997514	0,997490	0,997466	0,997442	0,997418	0,997394	0,997369	0,997345	0,997320
24	0. 997296	0,997271	0,997246	0,997221	0,997196	0,997171	0,997146	0,997120	0,997095	0,997069
25	0,997044	0,997018	0,996992	0.996967	0,996941	0,996914	0,996888	0,996862	0,996836	0,996809
26	0,996783	0,996756	0,996729	0,996703	0,996676	0,996649	0. 996621	0,996594	0,996567	0,996540
27	0,996512	0,996485	0,996457	0,996429	0,996401	0,996373	0,996345	0,996317	0,9	0.9
28	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
29	0. 9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
30	0,9	0,9	0,9	0.9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
	0,0	0,1	0. 2	0,3	0,4	0,5	0,6	0.7	0,8	0,9

Расширение воды при различных температурах

В следующей таблице показан объем, который занимает 1 грамм воды при изменении температуры.

Данные скорректированы на плавучесть и на тепловое расширение емкости.

Температура (° C)	Объем (мл)
17.0	1.0022
18.0	1,0024
19. 0	1,0026
20.0	1,0028
21,0	1,0030
22,0	1.0033
23,0	1,0035
24,0	1,0037
25. 0	1,0040
26,0	1,0043

тепловой коэффициент расширения воды равен 0.00021 на 1 ° Цельсия при 20 ° Цельсия.

Удельный вес морской воды

Специфический плотность морской воды на поверхности колеблется от примерно 1,020 до 1.029
На дне океанов удельный вес увеличивается вверх. примерно до 1.070
Чем холоднее морская вода, тем плотнее.
Чем соленее морская вода, тем плотнее.
Соленость изменяет удельный вес гораздо больше, чем температуру делает.
Тропическая пресная вода, как в озере Гатун на Панамском канале, имеет удельный вес всего 0,9954
Красное море, жаркое, не имеющее выхода к морю и засушливое, имеет удельный вес около 1.029

: -:

последняя модифицировано: 28 тыс.февраль 2015

Оборот озер — Альянс чистых озер

Дважды в год невидимые силы сбивают воду из глубин наших более глубоких озер и доставляют кислород и питательные вещества, необходимые для водных организмов. Этот обусловленный температурой процесс «круговорота» озера позволяет водным организмам полностью обитать в озере, поскольку кислород становится более доступным. Без этого естественного процесса наши озера не были бы такими яркими и динамичными экосистемами, которые мы видим сегодня.

«Я думаю о круговороте как о озере, которое глубоко вздыхает, когда все перемешано. Каждую весну и осень это похоже на новый старт «.
Роберт Лэдвиг, гидролог
UW Center for Limnology

Озеро Монона осенью

Что такое водоворот озера?

Проще говоря, круговорот озера — это сезонное перемешивание всей толщи воды. Для многих озер глубиной более 20 футов в течение лета образуются отчетливые, термически стратифицированные слои воды.Эти слои предотвращают перемешивание и аэрацию озера.

Более теплая и менее плотная вода плавает вверху, а более плотная вода — внизу. Температурный слой начинает ослабевать, когда на улице прохладно. Это позволяет озеру перемешиваться, когда температура выравнивается по всей толще воды. Это означает, что вода со дна озера поднимается наверх, а вода с вершины озера опускается на дно. Этот процесс позволяет пополнять запасы кислорода и распределять питательные вещества по всему озеру.

Знаете ли вы, что глубокие озера, такие как Мендота и Монона, являются «димиктическими», что означает, что они подвергаются обороту дважды в течение года? С другой стороны, мелкие озера, такие как озеро Вингра, поддерживают более равномерную температуру. Мелкие озера часто перемешиваются и редко страдают.

Изображение, показывающее сезонное перемешивание, оборот и стратификацию озер.
Источник: Национальное географическое общество

Почему озера расслаиваются?

Вода уникальна тем, что меняет плотность при разных температурах.В отличие от почти всех других жидкостей, вода наиболее плотная при температуре 39 градусов по Фаренгейту (4 градуса Цельсия) и светлее как при более высоких, так и при более низких температурах. Другими словами, когда вода достигает критической температуры 39 градусов по Фаренгейту, дальнейшее охлаждение заставляет молекулы воды становиться менее плотными и подниматься на поверхность. Эта необычная характеристика позволяет воде образовывать отдельные слои внутри однородной жидкости. Это явление объясняет, почему лед образуется на поверхности, а не тонет.

Есть два способа визуализировать это явление. Во-первых, подумайте о нырянии летом в озеро. Верхний слой воды очень теплый. По мере того, как вы плывете глубже, вы часто чувствуете резкое резкое падение температуры.

А теперь представьте, что сейчас зима, и озеро замерзло. Твердый лед плавает и остается на поверхности озера, потому что он менее плотный, чем жидкая вода, несмотря на то, что лед холоднее воды, по которой он плавает. Погода сохраняет воду около поверхности прохладной, делая ее менее плотной, чем более теплая вода глубоко в озере.Лед также действует как изолирующее одеяло, предотвращая полное замерзание более глубоких озер.

С наступлением зимы лед начинает формироваться на поверхности озера Мендота в Университете Висконсина 4 января 2013 г. (Фото Брайс Рихтер / UW-Madison)

Как и когда происходит оборот озера?

Из-за сезонных изменений интенсивности солнечного света температура поверхностных вод начинает меняться весной и осенью. Весной согревается водная гладь.Это приводит к выравниванию температуры верхнего и нижнего слоев озера. С помощью сильных ветров это новое равновесие нарушает тепловую стратификацию, и озеро может перемешиваться. Кислород с поверхности смешивается со дном, в то время как питательные вещества, захваченные у дна, могут свободно смешиваться по всему озеру. Поэтому иногда весной и осенью в озере бывает неприятный запах. Разлагающиеся органические материалы поднимаются со дна озера, что является отличительным признаком круговорота озера.

Точно так же оборот снова происходит осенью в наших более глубоких «димиктических» озерах. Четкие слои, образовавшиеся за лето, исчезают по мере охлаждения верхнего слоя озера и выравнивания температур. Озеро снова способно освежить питательные вещества и кислород. Позже, когда температура стабилизируется, она расслаивается в течение зимы до весны.

Озеро Мендота осенью

Что это означает для уровня кислорода и здоровья озера?

Кислород на дне озера чаще всего истощается из-за кислородно-голодных бактерий. Эти бактерии поедают мертвые водоросли, которые опускаются на дно озера.

«Когда озеро расслаивается, атмосферный кислород и кислород, производимый водорослями в поверхностном слое, с трудом могут добраться до дна озера».
Роберт Лэдвиг, гидролог
UW Center for Limnology

Если кислород не пополняется, количество жизнеспособной среды обитания для рыб резко сократится. Гипоксические зоны или мертвые зоны — это области с низким содержанием кислорода. Эти зоны подходят только для определенных бактерий.Двухгодичный цикл обновления озера имеет важное значение для смягчения негативного воздействия мертвых зон с низким содержанием кислорода и обеспечения подходящей среды обитания для рыб и водных организмов.

Узнайте больше о наших пяти озерах Яхара.

Доказательства наличия жидкой воды с высокой плотностью от 0,1 до 0,3 ГПа около 150 K

Полиаморфизм и его последствия

Аморфный лед высокой плотности (HDA) был обнаружен в 1984 г. (1) и предположительно является второй формой аморфного льда. в отличие от ранее известного аморфного льда низкой плотности (LDA) (2, 3).Существование более чем одного твердого неупорядоченного состояния для воды и возможность обратимого переключения между ними (4) вызвали оживленные дискуссии о физических последствиях. В частности, это подняло вопрос, могут ли также существовать две отдельные жидкие фазы, термодинамически связанные с аморфными формами. Фактически, для объяснения аномальной природы воды было предложено несколько сценариев с участием двух различных жидкостей. Причина, по которой до сих пор было трудно решить эту проблему, связана с тем, что интересующая нас область расположена в области на фазовой диаграмме, в которой неупорядоченные состояния нестабильны, так называемой «нейтральной зоне». вода.Независимо от того, происходит ли это со стороны высокотемпературной переохлажденной жидкости или со стороны низкотемпературных аморфных льдов, временные рамки кристаллизации становятся настолько быстрыми, что уравновешивание жидкостей невозможно в экспериментальных временных рамках (5).

Одним из важных аспектов в этом контексте является вопрос, можно ли на самом деле рассматривать аморфные льды как отдельные неупорядоченные состояния. Было продемонстрировано, что состояние, первоначально полученное Mishima et al. (1) аморфизация под давлением (PIA) при низких температурах не является гомогенным и хорошо охарактеризованным аморфным состоянием (6), а содержит (нано) кристаллические, искаженные гексагональные домены, оставшиеся от начальной фазы гексагонального льда (7 , 8).Когда это состояние с высокой плотностью (обозначенное как неотожженный HDA, uHDA) нагревается под давлением ( P ≤ ∼0,5 ГПа), оно релаксирует до немного менее плотного, предположительно более структурно однородного состояния (расширенный HDA, eHDA) (9). Сообщалось, что третье аморфное состояние с еще более высокой плотностью формируется, когда HDA нагревается при P ≥ ∼0,8 ГПа до температуры чуть ниже температуры кристаллизации, а именно аморфного льда очень высокой плотности (VHDA). Как и в случае с LDA и HDA, спорные дискуссии о том, следует ли считать переход между HDA и VHDA непрерывным или прерывистым, или их следует рассматривать как два разных полиаморфа, все еще продолжается (5, 10).

Цель данного исследования

Наша работа направлена на сравнение температур кристаллизации T _x и времени кристаллизации t _крист для нескольких вариантов HDA и VHDA, различающихся историей их получения. Особый интерес представляет состояние, предполагаемое непосредственно перед кристаллизацией — мы хотим понять, является ли это состояние оспариваемым ЛПВП или нет. ЛПВП может быть достигнуто только в том случае, если время уравновешивания короче, чем для кристаллизации (5, 20, 21).По этой причине время кристаллизации необходимо максимально увеличить за счет устранения дополнительных каналов кристаллизации, которые, как известно, присутствуют в uHDA (8, 20). В наших предыдущих работах по этой теме (22, 23) мы продемонстрировали, что, варьируя способ приготовления VHDA (а именно, при более высоком давлении 1,9 ГПа и более высокой температуре 175 К), можно получить аморфное состояние, в значительной степени свободное от кристаллические остатки (23). Мы продемонстрировали, что этот протокол приготовления приводит к термически наиболее стабильному аморфному льду при P ≥ 0.7 ГПа. В этой работе мы исследуем поведение кристаллизации нескольких вариантов uHDA, eHDA и VHDA сопоставимым и убедительным образом. В отличие от наших предыдущих исследований по этой теме (22, 23), здесь мы выбираем скорость нагрева 2 K min ⁻¹, чтобы наши результаты напрямую сравнивались с данными Seidl et al. (8, 20) и Salzmann et al. (24). Кроме того, диапазон давлений расширен как до более низких ( P, <0,7 ГПа), так и более высоких давлений ( P > 1,8 ГПа) (22, 23).Мы хотим прояснить, при каких условиях ЛПВП можно получить путем нагревания аморфного льда под давлением, близким к T _x.

Результаты и обсуждение

Температура начала кристаллизации

T _x.

T _x ( P ) был определен для пяти различных приготовленных аморфных льдов при 0,1–1,9 ГПа путем изобарного нагрева со скоростью 2 K мин. ⁻¹ (подробные протоколы приготовления аморфных льдов в «Материалы и методы» ; маркировка аморфного льда служит для обозначения пути приготовления). T _x, показанное на рис. 1, обычно увеличивается с давлением для аморфных льдов до 1,8 ГПа, но уменьшается до 1,9 ГПа (за исключением VHDA _1,1). Это наблюдение указывает на приближение предела высокого давления, до которого аморфные льды могут существовать метастабильно. Для сравнения: (V) HDA кристаллизуется при изотермическом сжатии до льда VII при 85 K и ∼2.5 ГПа (25).

На рис. 1 особенно видны две линии: T _x ( P ) для uHDA при P <∼0.9 ГПа и T _x ( P ) для VHDA _1,9 при P > ∼0,3 ГПа. Первая линия T _x ( P <∼0,9 ГПа), потому что она значительно ниже всех остальных линий и имеет выпуклость. Пониженная термическая стабильность uHDA уже отмечалась в работе Seidl et al. (8, 20) для давлений до 0,5 ГПа. Они объясняют это значительным количеством нанокристаллического льда, внедренного в аморфную матрицу, достаточно маленького, чтобы его нельзя было обнаружить с помощью дифракции рентгеновских лучей или нейтронов (8, 20).Хотя кристаллические остатки не могут быть обнаружены напрямую, косвенно они оставляют отпечаток на T _x, поскольку кристаллические «зародыши» не должны зарождаться, а должны расти только при повышении температуры. По сравнению с зарождением и ростом кристаллов в случае релаксированных аморфных состояний это приводит к более низкому кинетическому барьеру против кристаллизации для uHDA и, таким образом, к пониженной термической стабильности. Похоже, что это имеет место до 0,9 ГПа, как обсуждалось выше, и сообщалось в нашей предыдущей работе для VHDA, сравнивающей uHDA с VHDA _1.1 (22). Существование структурной неоднородности в виде кристаллических остатков, захороненных в матрице uHDA, также было недавно предположено в исследовании Shephard et al. (26). Они описали uHDA, полученный из PIA льда I при низких температурах, как состояние схода с рельсов на пути полиморфного перехода от кристаллического льда I к кристаллическому льду IV. Аналогичным образом Martelli et al. (27) демонстрируют в МД-моделировании, что, хотя HDA действительно аморфен (не имеет «полидисперсных ледоподобных структур»), существуют некоторые небольшие домены, структурно напоминающие лед IV.Выпуклость на линии uHDA воспроизводима и означает, что около ∼0,5 ГПа T _x (uHDA), по-видимому, приближается к T _x (eHDA). Однако при 0,5–0,7 ГПа линии T _x снова разделяются, только чтобы снова приблизиться к P > ∼0,7 ГПа и, наконец, слиться при ∼0,9 ГПа. Мы рационализируем этот выступ с точки зрения трансформации нанокристаллических зародышей, внедренных в матрицу. Seidl et al. (20), а также Tonauer et al.(28) представили доказательства образования ядер льда IX, а не искаженных ядер льда I _h около 0,4 ГПа. В зависимости от кристаллизующихся фаз льда эти зародыши более или менее эффективны в увеличении скорости роста кристаллов, так что форма выпуклости кажется близкой к давлениям, при которых внедренные нанодомены претерпевают трансформацию и состав кристаллизующихся полиморфов льда изменяется. При P ≥ 0,9 ГПа uHDA и eHDA, по-видимому, достигают аналогичного состояния до кристаллизации на основании их аналогичных значений T _x, которые, однако, примерно на 5 К ниже, чем у VHDA _1.9 (рис.1).

Рис. 1.

Сводка температур кристаллизации T _x, оцененных с помощью процедуры, показанной в Приложении SI , рис. S4 A (скорость нагрева 2 K мин. ⁻¹). Кривые включают литературные данные для случаев eHDA1.10.2 и uHDA (8, 20). Символы обозначают температуры стеклования T _г для HDA, о которых сообщается в литературе: алмазы Seidl et al. (15), пятиугольники — Handle et al. (16), кружок Мисимы (14), восходящие треугольники Хэндла и Лоэртинга (17), квадрат Андерссона (19) и температура, при которой время диэлектрической релаксации составляет порядка 100 с при 1,0 ГПа: нисходящий треугольник Андерссона и Инабы (18).

Последняя линия T _x ( P <∼0,9 ГПа), встречающая глаз, относится к VHDA _1,9, так как она значительно превосходит все остальные на стороне высокого давления. Никакой другой аморфный лед не кристаллизуется позже, чем VHDA _1.9 при P > 0,3 ГПа, поэтому мы определяем эту линию T _x как опорную линию для наивысшей термостойкости против кристаллизации, доступной экспериментально, т. Е. Как низкотемпературную границу ничейная земля. Разница с этой опорной линией показана на рис. 2 как Δ T _x. Для uHDA она составляет более 10 К при 0,1 ГПа и 2 К при 1,9 ГПа.

Рис.2

Разница в температуре кристаллизации Δ T _x различных аморфных льдов по сравнению с T _x (VHDA _{1. 9}), определяющий низкотемпературную границу нейтральной зоны (пунктирная линия).

Метастабильное равновесие для eHDA и VHDA при

P ≤ 0,3 ГПа и T < T _x.

Линия VHDA _1.9 поражает не только со стороны высокого давления, но и тем более со стороны низкого давления. Интересно, что он приближается ко всем остальным линиям T _x (кроме uHDA) и совпадает при P ≤ 0.3 ГПа. Точность совпадения этих линий при давлениях ниже 0,3 ГПа замечательна и составляет около ± 1 К; см. область в рамке на рис. 2. Это очень близко к воспроизводимости метода. Другими словами, существует точка бифуркации при ∼0,3 ГПа, ниже которой релаксированные аморфные льды eHDA и VHDA кристаллизуются при одинаковых T _x независимо от их предыдущей экспериментальной истории, но выше которой они различаются на T _х.Это подразумевает представление о том, что при P ≤ 0,3 ГПа идентичное состояние достигается при T < T _x для всех изученных здесь аморфных льдов (кроме uHDA). История подготовки образцов больше не имеет значения, даже если мы имеем дело с изначально метастабильными аморфными льдами. Это изменение феноменологии объясняется неравновесным состоянием, кристаллизующимся выше 0,3 ГПа, но равновесным состоянием, кристаллизующимся ниже. Время кристаллизации самого HDA не меняется резко вблизи 0.3 ГПа (см. Рис. 3 здесь и рис. 4 в ссылке 17).

Рис. 3.

Время кристаллизации uHDA, eHDA1.90.2 и VHDA _1.9, определенное, как описано в Материалах и методах (см. Также SI Приложение , Рис. S5). Температуры соответствуют значениям T _x аморфных льдов при соответствующих давлениях и имеют соответствующую цветовую кодировку.

Определение температуры стеклования in situ T _g при P ≤ 0.3 ГПа (15⇓ – 17), кроме того, указывают на то, что линия HDA T _g должна быть близко или ниже T _x линий eHDA и VHDA, представленных в этой работе; см. ромбы, пятиугольники и восходящие треугольники на рис. 1. То есть соотношение T _г < T _x оказывается действительным при P ≤ 0,3 ГПа. Поскольку идентичное состояние непосредственно перед T _x уравновешено по объему и наблюдается выше T _g, это убедительно предлагает следующее объяснение этих результатов: релаксация объема в смысле α — релаксация связана с Т _г, т.е., T _г определяет переход стекло-жидкость, а не переход стекло-стекло. Другими словами, идентичное состояние, достигнутое до T _x при P ≤ 0,3 ГПа для четырех различных приготовлений образцов, соответствует глубоко переохлажденному жидкому состоянию HDL. Получение состояния HDL при нагревании невозможно с uHDA, поскольку встроенные (нано) кристаллические домены препятствуют структурному уравновешиванию при T < T _x. Эти затравки сокращают время кристаллизации по сравнению с временем установления равновесия, тем самым предотвращая доступ к уравновешенной жидкости.

При P > 0,3 ГПа разделение линий T _x линий VHDA _1.9 и eHDA (рис. T _г> T _x). То есть аморфные льды кристаллизуются прежде, чем они смогут достичь состояния сильно переохлажденной жидкости.Это предположение подтверждается значением T _г, полученным Мисимой при 0,4 ГПа (14). Это предполагает, что около 0,4 ГПа T _x ∼ T _г, и, следовательно, времена кристаллизации и время установления равновесия аналогичны. При P ≥ 1 ГПа значения T _g, полученные Андерссоном из измерений c _p (19) и Хэндла и Лоэртинга (17) из анализа объемной релаксации, неизменно составляют около 30 или На 50 К ниже T _x (VHDA _{1. 9}). В свете нашего наблюдения, что Δ T _x ∼ 6 K между VHDA _1.9 и eHDA (см. Звезду при 1,0 ГПа на рис. 2), мы предполагаем, что T _g с определенные при P ≥ 1 ГПа (17, 19) связаны не с переходом стекло в жидкость, а с ориентационным стеклованием, в отличие от T _г с при 0,1–0,4 ГПа. Это связано с тем, что уравновешенный HDL имеет определенное значение T _x, независимо от того, из какого аморфного льда он образовался, т.е.е., условие Δ T _x = 0 K должно выполняться для HDL. Эти выводы согласуются с результатами исследования Winkel et al. (29), в которой степень релаксации аморфного состояния исследовалась калориметрическим методом при атмосферном давлении. Их результаты показывают, что аморфный лед высокой плотности находится в метастабильном равновесии при 140 К и P ≤ ∼0,2 ГПа и что ультравязкое жидкое состояние предполагается при 140 К и 0,07 ГПа. Аналогичным образом Handle et al. сделал вывод, что метастабильное равновесие почти достигается при 0.2 ГПа и 140 К и фактически достигаются при 0,1 ГПа и 140 К (16). В дополнительном исследовании Handle и Loerting пришли к выводу, что жидкое состояние может быть достигнуто ниже T _x при P <0,4 ГПа (17). Основное различие между этими исследованиями и настоящей работой заключается в том, что здесь мы определяем самое высокое давление, при котором ЛПВП может быть полностью уравновешен без экстраполяции данных. Из наших данных мы заключаем, что это так при 0,3 ГПа. Разница в максимальном давлении, при котором можно наблюдать ЛПВП, также отражает разные временные рамки, присущие разным методам в разных исследованиях.На конце низкого давления ниже 0,1 ГПа уравновешивание жидкости с высокой плотностью, вероятно, подвергается опасности из-за образования аморфных нанодоменов низкой плотности, как было показано Тонауэром и др. (28) и Handle et al. (30)

Кристаллические остатки в аморфной матрице.

Для дальнейшего изучения гипотезы о том, что кристаллические остатки влияют на кристаллизационное поведение аморфных льдов, мы создали варианты eHDA. Вместо метода, первоначально предложенного Винкелем (31), а именно декомпрессии VHDA _1.1 при 140 K до 0,2 ГПа (что дает eHDA1.10.2), мы декомпрессировали VHDA _1.9 при 140 K (давая eHDA1.90.2, см. Также рис. 4). Идея этого способа получения основана на нашем более раннем предположении, что VHDA _1.9 содержит меньше (нано) кристаллических доменов — если они вообще есть — чем VHDA _1.6 (полученный при 1,6 ГПа и 167 К) или VHDA _1,1 (23). Фактически, VHDA _1.1 и VHDA _1.6 демонстрируют более низкую термическую стабильность против кристаллизации и более сильную тенденцию к параллельной кристаллизации, чем VHDA _1.9 (23). Таким образом, мы предположили, что в случае VHDA _1.1 условия приготовления (то есть время и / или температура и / или давление) недостаточны для полного исчезновения «кристалличности» и полной аморфизации образца. Мы также предположили, что кристаллические домены также могут пережить декомпрессию VHDA _1.1 при 140 К. Следовательно, мы предположили, что eHDA1.90.2 также будет демонстрировать меньше признаков кристалличности, чем eHDA1.10.2 и T _x ( eHDA1.90.2) быть выше T _x (eHDA1.10.2). Однако это не так: T _x (eHDA1.90.2) идентично T _x (eHDA1.10.2) во всем исследованном диапазоне давлений (рис.1). Таким образом, наши результаты не позволяют сделать окончательную оценку, выдержат ли кристаллические остатки декомпрессию при 140 К или нет. Объяснение неожиданного наблюдения может заключаться в том, что ( i ) начальные числа отсутствуют в обоих типах eHDA, т.е.е., семена исчезают при декомпрессии, или ( ii ) в процесс декомпрессии вводятся новые семена, которые идентичны для обоих типов eHDA. T _x обоих eHDA постоянно ниже T _x (VHDA _1,9) при P > 0,3 ГПа. Причем термическая стабильность обоих типов eHDA также ниже, чем у VHDA _1.1 (рис. 1). Это означает, что плотность аморфной матрицы играет ключевую роль в определении T _x.Разница в плотности между eHDA и VHDA сохраняется до T _x при P > 0,3 ГПа, что исключает возможность достижения идентичных состояний.

Рис. 4.

Схематическое изображение способов приготовления различных аморфных льдов. Для определения T _x, данные из этой работы и из исх. 39⇓ – 41.

Относительно последнего обнаружения неравновесности при нагревании перед кристаллизацией при P > 0.3 ГПа были проведены дальнейшие контрольные эксперименты. Используя 0,5 K мин ^-1 вместо 2 K мин ^-1 в качестве скорости нагрева, мы обеспечили четырехкратное количество времени для образцов, чтобы уравновеситься при нагревании. Однако, как показано в Приложении SI , рис. S2, этого также недостаточно для уравновешивания аморфных льдов. Разница в T _x между eHDA и VHDA _1,9 сохраняется также для скорости нагрева 0,5 K мин ^-1.Кроме того, разница остается небольшой и составляет 0,3 ГПа, что подтверждает идею о том, что уравновешивание возможно при 0,3 ГПа и ниже ( SI Приложение , рис. S2).

Структурная экспертиза.

Кристаллизованные образцы, кроме того, характеризуются структурно с помощью порошковой дифракции рентгеновских лучей (при ~ 80 К и ~ 5 × 10 ^-1 мбар). Результаты представлены графически на Рис. 5 (в табличной форме см. SI Приложение , Таблица S3). Можно заметить, что в зависимости от давления аморфные льды превращаются в множество различных кристаллических (единичных) фаз или фазовых смесей (до четырех различных льдов), включая лед I, лед II, лед IV, лед V, лед VI, лед IX и лед XII.Зальцманн и др. (24, 32, 33) были первыми, кто назвал превращение аморфного льда более чем в одну кристаллическую фазу в течение одного события кристаллизации «параллельной реакцией». Просто варьируя скорость нагрева, они смогли изменить относительное количество данной кристаллической фазы в смеси от почти 0% до почти 100%. Следовательно, они идентифицировали разные процессы кристаллизации, связанные с разными константами скорости, протекающими параллельно. Процессы кристаллизации, протекающие с более медленной кинетикой и при более низкой температуре, были обозначены как «кинетика типа 1», а процесс, протекающий с более быстрой кинетикой и при более высокой температуре, как «кинетика типа 2».Здесь мы наблюдаем схожие тенденции: как показано на рис. 5, все аморфные льды подвергаются параллельной кристаллизации почти при всех исследованных давлениях при 2 K мин ^-1. Заметные исключения случаются при 1,8 и 1,9 ГПа, когда аморфные льды превращаются исключительно в стабильный лед VI.

Рис. 5.

Схематическое резюме всех продуктов кристаллизации из измерений порошковой дифракции рентгеновских лучей, записанных при ∼80 K и ∼5 × 10 ^-1 мбар. Столбики показывают относительные количества кристаллического льда, полученные в экспериментах по изобарическому нагреванию при заданном давлении (абсцисса) соответствующего льда (правая ордината). Полосатые полосы взяты из литературы, исх. 8 и 20.

eHDA и VHDA дают качественно похожие продукты кристаллизации, особенно eHDA _1,9 и VHDA _1,9, близкие друг к другу. Незначительные различия можно заметить для eHDA _1.1 при 0,1 ГПа и VHDA _1,1 при 0,4 ГПа. При 0,1 ГПа в качестве побочных фаз образуются смеси в основном льда I и льда IX. При давлениях до 0,6 ГПа наблюдаются различные смеси льдов IX, V, II, IV и XII. На 0,7–1.3 ГПа кристаллизуется большая часть льда XII, часть льда IV при более низком давлении и часть льда VI в качестве побочных фаз при более высоких давлениях. При 1,6 ГПа в дополнение к небольшому количеству льда XII образуется преимущественно лед VI. Единственный диапазон давлений, допускающий дифференциацию, составляет 0,4–0,6 ГПа. При 0,4 ГПа VHDA _1,1 превращается в чистый лед V при кристаллизации, в то время как eHDA _1,1 демонстрирует преимущественное образование льда IX со льдом V в качестве побочной фазы. eHDA _1,9 и VHDA _1,9, с другой стороны, кристаллизуются при 0.4 ГПа для примерно равных количеств льдов V и IX (верхние четыре панели на рис. 5). При 0,5 ГПа eHDA _1,9 и VHDA _1,9 образуют значительное количество льда XII, в то время как для eHDA _1,1 и VHDA _1,1 лед XII не образуется вообще.

uHDA, напротив, дает качественно разные продукты кристаллизации, существенно отличаясь от eHDA и VHDA. Он кристаллизуется преимущественно в лед I при 0,1 ГПа (с некоторым количеством льда IX, нижняя панель на рис.5) и аналогичное количество льда I и льда IX при 0.2 ГПа. При 0,5 ГПа основным продуктом кристаллизации является лед IX, что опять же отличается от результатов других аморфных льдов. Также при 0,6 и 0,7 ГПа uHDA показывает поведение, отличное от других, в основном лед IV образуется вместо льда XII при этих давлениях. Начиная с 0,8 ГПа и далее смеси закристаллизованных фаз для всех достаточно похожи. Однако при 1,6 ГПа uHDA превращается в лед XII вместо льда VI. Результаты показывают, что в uHDA есть дополнительный канал, который снижает T _x по сравнению с другими аморфными льдами, особенно ниже 0.8 ГПа.

Время кристаллизации

т _крист .

Приведенные выше результаты естественным образом поднимают вопрос, каким образом временные рамки кристаллизации связаны с фазами кристаллизации льда или вообще зависят от экспериментальных параметров. Мы оцениваем время кристаллизации t _крист на основе разницы между t _{крист, началом} и t _{крист, концом} , как показано на вставках в приложении SI , рис.S5. Эта оценка основана на предположении, что шкала времени релаксации аморфной матрицы и шкала времени кристаллизации хорошо разделены. Это предположение справедливо как для T _g> T _x и T _г < T _x, тогда как для T _g ∼ T _x два процесса происходят в одинаковых временных масштабах и не могут быть разделены однозначно. Для eHDA1.90.2 и VHDA _1.9 ситуация T _g < T _x встречается при 0,1–0,3 ГПа, как упоминалось выше, тогда как ситуация T _g> T _x используется для более высоких давлений. Только для 0,4 ГПа анализ смещен, поскольку обе шкалы времени близки друг к другу, так что ступенчатое изменение при кристаллизации перекрывается с одновременным изменением объема на основе релаксации.Другими словами, объем изменяется медленнее, как если бы только кристаллизация происходила при ∼0,4 ГПа. Это можно отметить по небольшому увеличению t _крист для eHDA1.90.2 и VHDA _1,9 при 0,4 ГПа; см. рис. 3 и приложение SI, приложение , рис. S3, соответственно.

Обычно время кристаллизации увеличивается с увеличением давления. Для eHDA1.90.2 и VHDA _1.9 они возрастают от близких к 0 с до ∼200–300 с в исследованном диапазоне давлений (рис. 3). То есть, даже если аморфные льды кристаллизуются при более высоких температурах и более высоких давлениях, процесс превращения происходит медленнее.Время кристаллизации для uHDA в нашем исследовании сравнимо с eHDA и VHDA при P ≥ 0,8 ГПа, за исключением 1,3 ГПа, где VHDA _1,9 кристаллизуется заметно быстрее, чем eHDA1.90.2 и uHDA. Вероятно, это связано с выраженным образованием более быстро кристаллизующегося льда VI (кинетика 1-го типа) в случае VHDA _1.9, тогда как eHDA1.90.2 и uHDA преобразуются в основном в более медленно кристаллизующийся лед XII (кинетика 2-го типа) и очень небольшие количества льдов IV и VI (см.также рис.5). Однако при P ≤ 0,7 ГПа uHDA «кристаллизуется» намного медленнее, чем eHDA1.90.2 и VHDA _1.9. Это справедливо независимо от того, кристаллизуются ли одинаковые или разные смеси полиморфов. Основная причина гораздо более широких стадий кристаллизации uHDA может быть найдена в процессах, способствующих этому: для релаксации uHDA кристаллизация типа 1 и типа 2 происходит одновременно с одинаковыми скоростями. Таким образом, точки данных для uHDA представляют не только кристаллизацию, но и шкалу времени для объединенных процессов.

Одним из ключевых аспектов рис. 3 является очень короткое время кристаллизации VHDA _1,9 при P <0,8 ГПа. При 0,2 ГПа т _{кристально} составляет около 2,5 с ( SI Приложение , рис. S5) при T _x = 149 K. При 1,9 ГПа T _x больше примерно на 30 К, но все же т _крист составляет 190 с. Это указывает на гораздо более высокий коэффициент самодиффузии H ₂ O при низких давлениях, и мы считаем, что это связано с гораздо более низкой вязкостью при T _x.При P > 1 ГПа вязкость аморфного льда при T _x типична для вязкости твердого тела порядка 10 ²¹ Па · с в этой интерпретации. Ниже 1 ГПа вязкость при T _x начинает падать на порядки, а при P ≤ 0,3 ГПа вязкость упала ниже 10 ¹² Па · с при T _x, так что фактически достигается состояние HDL.

Предыдущие исследования кинетики кристаллизации аморфной твердой воды (H ₂ O, а также D ₂ O) были выполнены на осажденных из паровой фазы аморфных льдах при (ниже) атмосферном давлении путем мониторинга кристаллизации в кубический лед с помощью инфракрасного излучения. спектроскопия при нагревании (34⇓ – 36) или электронография (37). Скорости кристаллизации для eHDA (eHDA1.10.1 в нашей маркировке) и VHDA (VHDA _1.1 на нашей маркировке) были сообщены только недавно Handle и Loerting (17), которые получили кинетическую информацию из процедуры подбора, разложив измеренные изменения объема на три части. вклады: релаксация и упругое расширение аморфной матрицы и изменение объема, вызванное кристаллизацией.Принимая во внимание геометрию образца, можно оценить скорость кристаллизации (в см ³ / с или м / с соответственно) по рис. 3, см. SI Приложение , рис. S3. Значения, полученные Handle и Loerting (17), хорошо согласуются с нашими для eHDA1. 90.2 и VHDA _1.9, за исключением 0,4 ГПа (см. Рисунок 4 в ссылке 17 и приложение SI , рисунок S3). . Скорость кристаллизации аморфного льда, осажденного из паровой фазы, при (ниже) атмосферном давлении намного ниже, чем значения для eHDA1.90.2 и VHDA _1.9 сообщили здесь. В то время как скорости роста при более высоких давлениях P ≥ 1,6 ГПа только примерно на два порядка больше вблизи ∼180 К, разница увеличивается до семи-восьми порядков величины при P ≤ 0,3 ГПа и ∼140–150 К; см. рисунок 3 в исх. 36 и SI Приложение , рис. S3. То есть образование кристаллических льдов под высоким давлением обычно основано на гораздо более быстрой кинетике, чем образование льда I при атмосферном давлении. Разница в два порядка величины может быть объяснена на основе более коротких расстояний между атомами при высоких давлениях, что подразумевает более короткие длины пути для координаты реакции, ведущей к кристаллизации.Однако разница в семь-восемь порядков требует другого молекулярного процесса, а именно диффузии, происходящей в жидком состоянии под давлением. Мы достигаем сверхвязкого жидкого состояния ЛПВП при P ≤ 0,3 ГПа, тогда как жидкое состояние с низкой плотностью никогда не было достигнуто в экспериментах сверхвысокого вакуума с осажденными из паровой фазы тонкими пленками из-за быстрого испарения пленки вблизи и над первыми Тл объемной воды. _г при 136 К.

Резюме и заключение

Наша работа убедительно показывает, что при P ≤ 0.Релаксированные 3 ГПа eHDA и VHDA достигают того же равновесного состояния перед кристаллизацией, а именно HDL. На это указывает точка бифуркации T _x на рис. 1 при 0,3 ГПа. При P <∼0,3 ГПа температуры кристаллизации eHDA и VHDA близко совпадают, а при P > ∼0,3 ГПа они различаются. Мы предполагаем, что это же равновесное состояние имеет сильно переохлажденную жидкую природу на основании наших наблюдений за значительной объемной релаксацией, имеющей место около T _г (15, 17). То есть кристаллизация ниже 0,3 ГПа не препятствует наблюдению за жидкостью ( T _г < T _x), в то время как время кристаллизации выше 0,3 ГПа становится короче, чем время релаксации ( T _x < T _г). Эта интерпретация дополнительно подтверждается опубликованными значениями перехода стекло в жидкость T _g в соответствующей области P / T (14, 16).Наши результаты также подтверждают интерпретацию нерелаксированной и структурно неоднородной природы uHDA, основанной на значительно более низких значениях T _x и существенно различном фазовом составе кристаллического продукта при P <∼0.9 ГПа (рис.1 и 5).

Кроме того, наша работа определяет способ приготовления аморфного льда, который позволяет воде оставаться в некристаллическом состоянии при более высоких температурах, чем в предыдущей работе. При давлениях P > ∼0.3 ГПа VHDA _1,9 более устойчив к кристаллизации, чем все другие аморфные льды. Δ T _x увеличивается в направлении более высоких давлений, достигая ∼5 K при 1,8 ГПа (рис. 2 и приложение SI, приложение , таблица S2). Линия кристаллизации T _x ( P ) VHDA _1.9, таким образом, может рассматриваться как истинная низкотемпературная граница нейтральной зоны воды. Что касается низколежащих температур стеклования при 1.0 ГПа (17⇓ – 19), мы заключаем, что они отражают не переход стекло-жидкость, а ориентационное стеклование. То есть речь идет не о высвобождении в основном поступательных степеней свободы, а, скорее, о высвобождении вращательных степеней свободы. Если бы переход стекло-жидкость действительно имел место при 1,0 ГПа, можно было бы ожидать, что времена релаксации станут настолько короткими с повышением температуры, что любое различие в неупорядоченных состояниях должно быть потеряно задолго до кристаллизации, и T _{x Значения} должны совпадать с точностью до погрешности.Однако наши наблюдения показывают, что T _x между eHDA и VHDA _1,9 отличается примерно на 6 К.

Наконец, мы представляем время кристаллизации аморфных льдов в условиях высокого давления и сравниваем эти данные с недавними данными. работа Handle и Loerting (17) при повышенных давлениях и Xu et al. (36) на аморфной твердой воде в условиях сверхвысокого вакуума. Исходя из времен кристаллизации t _крист , можно сделать вывод о нерелаксированной природе uHDA при P <∼0.8 ГПа (рис.3). В то время как в случае eHDA и VHDA кристаллизация происходит за секунды, для uHDA это занимает гораздо больше времени. Очень высокие скорости кристаллизации eHDA и VHDA на конце низкого давления (см. SI Приложение , рис. S3) и увеличение в сторону более высокого давления подтверждают идею об изменении механизма кристаллизации. Вместо превращения твердое тело в твердое тело, которое происходит при высоких давлениях, доступ к менее вязким состояниям ускоряет кристаллизацию при низких давлениях.

Материалы и методы

На рис. 4 показаны пять способов получения аморфного льда и представлена номенклатура, использованная в этой работе. uHDA был получен PIA, как первоначально описано Mishima et al. (1). Для этой работы были подготовлены два варианта VHDA, один в соответствии с оригинальной работой Loerting et al. (обозначенный здесь VHDA _1.1) (38), другой — путем нагрева до 175 K при 1,9 ГПа (обозначен здесь VHDA _1.9). Два варианта eHDA были подготовлены распаковкой VHDA _1.1 или VHDA _1,9 при 140 K до конечного давления 0,2 ГПа (обозначены здесь eHDA1.10.2 и eHDA1.90.2 соответственно). Подготовка образцов проводилась так же, как описано в нашей более ранней работе (22, 23). Короче говоря, 500 мкл жидкой воды (сверхчистой) пипеткой помещают в предварительно охлажденный индиевый цилиндр, на котором образуется поликристаллический гексагональный лед I _h. Образец подвергается сжатию / декомпрессии на коммерческой машине для испытания материалов (модель ZWICK BZ100 / TL3S) в среде с контролируемой температурой.Машина для испытания материалов работает как устройство давления, а также как дилатометр, что позволяет регистрировать изменение объема образца в зависимости от времени / температуры на месте. Было обнаружено, что соотношение нагрузки и поперечного сечения образца идентично фактическим давлениям, определенным на основе известных фазовых переходов между стабильными фазами льда. Аналогичным образом были откалиброваны температуры по этим фазовым переходам, и было обнаружено, что их отклонение не превышает 0.2 К. Воспроизводимость температур лучше, чем ± 0,1 К. Структурная характеристика кристаллизованных продуктов, извлеченных после закалки, проводится с помощью порошковой дифракции рентгеновских лучей при ~ 80 К в вакууме (Siemens, модель D5000 и Bruker, модель D8 Advance; в обоих случаях используется излучение Cu Kα , λ = 1,5406 Å). Дифрактограммы записываются в θ-θ геометрии.

Температуры начала кристаллизации T _x и состав кристаллической фазы определяли, как описано в наших предыдущих исследованиях по этой теме (22, 23).

РубрикаРазное

Наибольшая плотность пресной воды при температуре: Температура и плотность пресной воды

Наибольшая плотность и температура замерзания воды

Температура наибольшей плотности воды — Энциклопедия по машиностроению XXL

Глава 4.1. Свойства воды | BookOnLime

Термический режим озер

Ладожское озеро

Некоторые общие особенности термического режима озер

Морская вода — плотность морской воды и давление

Что такое удельный вес?

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Нефть — Что такое Нефть?

Химический состав нефти

Сладость

Плотность

Вязкость

Пластовые условия

Соединения нефти

Парафиновые углеводороды

Циклопарафины

Ароматические углеводороды

Сернистые соединения.

Кислородные соединения.

Азотсодержащие соединения.

Плотность, удельный вес и коэффициенты теплового расширения

Онлайн-калькулятор плотности воды

Влияние температуры на плотность

Влияние температуры на плотность

Плотность

Чистая вода

Другие жидкости Pure

OC202 ТЕМА 1: СВОЙСТВА МОРСКОЙ ВОДЫ

Температура воды — Системы измерения окружающей среды

Что такое температура воды?

Почему важна температура воды

Температура воды и водная жизнь

Токсичность соединения и температура воды

Температура растворенного кислорода и воды

Электропроводность и температура воды

Потенциал окисления и температура воды

pH и температура воды

Плотность и температура воды

Точки температуры пресной воды

Точки температуры соленой воды

Ice Formation

Термическая стратификация

Точки давления и температуры воды

Какие факторы влияют на температуру воды?

Солнечный свет

Атмосфера

Мутность

Confluence

Антропогенное воздействие

Типичные температуры

Уникальные условия

Последствия необычных уровней

Важность мониторинга

Какие единицы?

Цитируйте эту работу

Дополнительная информация

Масса, вес, плотность или удельный вес воды при различных температурах

Резюме: — Масса, вес, плотность или удельный вес воды при различных температурах C и термический коэффициент расширения воды

Таблица плотности чистой и водопроводной воды и удельного веса

Плотность воды (г / см

Расширение воды при различных температурах

Удельный вес морской воды

Оборот озер — Альянс чистых озер

Доказательства наличия жидкой воды с высокой плотностью от 0,1 до 0,3 ГПа около 150 K

Полиаморфизм и его последствия

Цель данного исследования

Результаты и обсуждение

Температура начала кристаллизации

Метастабильное равновесие для eHDA и VHDA при

Кристаллические остатки в аморфной матрице.

Структурная экспертиза.

Время кристаллизации

Резюме и заключение

Материалы и методы

Добавить комментарий Отменить ответ