Морская вода удельный вес

Удельный вес воды, основные понятия и закономерности гидростатики

Важнейшими физическими свойствами воды являются ее вяз­кость, плотность, удельный вес, сжимаемость.

Вязкость воды — это ее свойство оказывать сопротивление уси­лиям на сдвиг. В силу того, что вода обладает подвижностью, ее частицы и слои могут двигаться скользя относительно друг друга. При этом между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения, препятствующие движению. Эти силы и обусловливают возникновение вязкости.

Вязкость воды невелика. При повышении температуры воды с 20 до 30° ее вязкость уменьшается примерно на 20%.

Плотность воды — это ее масса в единице объема. Плотность обозначается греческой буквой р и в международной системе СИ измеряется в килограммах на кубический метр (кг/м 3 ): р= М: V

где М— масса жидкости, кг; V — объем жидкости, м 3 .

Плотность пресной воды при 4° составляет 1000 кг/м 3 . Плот­ность соленой морской воды— 1010—1030 кг/м 3 . Плотность воздуха, например, равна 1,29 кг/м 3 и почти в 800 раз меньше плотности воды. От плотности воды зависит ее удельный вес.

Удельный вес воды — вес единицы ее объема. Его обозначают греческой буквой у и измеряют в технической системе единиц МКГСС в килограмм-силах на кубический метр (кГ/м 3 ): у = G: V

где G — вес (сила тяжести) воды, кГ.

В международной системе СИ единица удельного веса жидко­сти — ньютон на кубический метр (н/м 3 ). 1 н = 0,102 кГ.

Плотность и удельный вес воды мало изменяются в зависимо­сти от давления и температуры. Удельный вес пресной воды прак­тически равен 1000 кГ/м 3 , или 9815 м/м 3 . Знание удельного веса воды позволяет судить о плавучести человека.

Сжимаемость воды — это ее свойство уменьшаться в объеме при повышении давления. Сжимаемость воды крайне незначитель­на, но в результате сжатия в ней возникают силы гидростатиче­ского давления. В обычных условиях покоящаяся жидкость сжи­мается под действием сил тяжести (собственный вес жидкости и атмосферное давление).

Сила гидростатического давления действует на любую поверх­ность тела, погруженного в воду. Боль в ушах, которую испыты­вает пловец, нырнувший на большую глубину, вызвана силами гидростатического давления воды на барабанную перепонку уха. Силы давления воды направлены перпендикулярно к поверхности тела, на которое они действуют.

Источник

Понятие о плотности, удельном весе и удельном объеме морской воды

ГЛАВА 9. ПЛОТНОСТЬ МОРСКОЙ ВОДЫ

§ 33. Понятие о плотности, удельном весе и удельном объеме морской воды

Плотность — важнейшее физическое свойство морской воды. Ее изменения определяют многие физические и динамические процессы в Мировом океане. Под плотностью, как известно, понимается отношение массы вещества к его объему (m/V=ρ), т. е. это масса единицы объема. Плотность — величина размерная и в системе СИ выражается в килограммах на кубический метр (кг/м 3 ). Плотность пресной воды при 4° С в системе СИ равна 1000 кг/м 3 , а морской при 15° С — 1020 — 1030 кг/м 3 в зависимости от солености. Понятие «плотность» тесно связано с понятием «удельный вес», через который в океанологии принято выражать плотность.

Удельный вес морской воды

Удельный вес морской воды — это отношение веса единицы объема морской воды при температуре t к весу единицы объема дистиллированной воды при той же температуре и нормальном атмосферном давлении.

В океанологии в качестве стандартной принята температура 17,5°С (средняя температура лабораторного помещения), к которой приводится значение удельного веса морской воды, измеренного при любой температуре.

Удельный вес морской воды зависит только от солености и выражается не системной единицей г/см 3 .

В океанологической практике введено понятие условного удельного веса

Удельный вес и плотность морской воды незначительно отклоняются от единицы, поэтому для сокращения записи из числа, выражающего удельный вес, вычитают единицу и переносят запятую на три знака вправо. Например, удельный вес ρ_17.5 = 1,02624 записывают как 26,24.

Под плотностью морской воды в океанологии понимают удельный вес морской воды при температуре, которую она имела в данном месте, на данной глубине (in situ), отнесенный к дистиллированной воде при температуре ее наибольшей плотности 4° С.

По той же причине малых изменений и необходимости высокой точности определений введено понятие об условной плотности

При решении некоторых гидрофизических задач вместо Ϭ_t используется условный удельный вес при 0° С (Ϭ₀)

Во многих гидродинамических расчетах вместо условной плотности удобнее пользоваться обратной ей величиной, называемой удельным объемом, т. е. объем единицы массы

Так как удельный объем всегда больше 0,9 и меньше 1,0, то по аналогии с условными удельным весом и плотностью введено понятие условного удельного объема

Океанологические таблицы

На основании лабораторных исследований Комиссии Международного совета по изучению морей (1889 г.) были установлены соотношения между содержанием хлора, соленостью, условным удельным весом и условной плотностью при температуре 0°С. Эмпирические формулы, связывающие эти величины, были использованы для расчета таблиц, опубликованных в различных международных пособиях (впервые в таблицах Кнудсена, 1901 г.) и в отечественных «Океанологических таблицах», составленных Н. Н. Зубовым. В табл. 14 приводится образец таблицы соответствия величин (из «Океанологических таблиц»).

Соответствие величин Cl, S, Ϭ₀ и ρ_17.5

Сl	S‰	Ϭ0	ρ17.5
19,00	34,33	27,58	26,22
19,01	34,34	27,60	26,23
19,02	34,36	27,61	26,24
19,03	34,38	27,63	26,26

С помощью таблиц, определив ареометрированием условный удельный вес ρ17.5, можно получить значения Сl (хлора), S (солености) и Ϭ₀ (удельного веса). Определив титрованием содержание хлора, можно получить значения S‰, ρ17.5 и Ϭ0.

В «Океанологических таблицах» приводятся таблицы для прямого определения условной плотности и удельного объема по температуре и солености.

Источник: Общая гидрология, Гидрометеоиздат, Ленинград, 1973

Источник

Основные химические и физические свойства морской воды

Содержание

Солёность

Мировой океан содержит 96,5 % всей воды нашей планеты, и в его воде растворены практически все элементы, встречающиеся на Земле. Их общая масса составляет 48 × 10 18 кг. Достаточно подробно солевой состав морской воды был исследован английским химиком Дитмаром, который имел в своем распоряжении 77 проб воды, собранных в различных частях Мирового океана и с различных глубин во время плавания «Челленджера» в 1872–1876 гг. Было установлено, что 99,9 % всех растворённых веществ приходится на первые 20 элементов таблицы Менделеева. Основные компоненты морской воды представлены в табл. 2.1 в форме солей.

В открытых частях Мирового океана процентное отношение основных компонентов солевого состава приблизительно постоянно (закон Дитмара), т. е. соотношения Na/Cl, К/Cl, SO₄/Cl и Br/Cl являются константами. Это позволяет определять общую солёность по измерению одного из компонентов. Им является ион хлора Cl- , так как он составляет 55,3 % от общего количества и легко определяется.

Определение солёности. Истинная солёность должна быть определена как «отношение массы растворённого твёрдого вещества в морской воде к её массе». Однако это определение не используется, так как невозможно определить точное количество растворённых веществ. При выпаривании воды до сухого остатка требуется длительное нагревание, и на его последней стадии происходит разложение карбонатов и солей магния. Метод, дающий воспроизводимые результаты, был предложен группой исследователей, в которую входили М. Кнудсен, К. Соренсен, С. Форх [2]. Обезвоживание до постоянного веса производилось в среде хлора при температуре 480 °С. При этой процедуре органическая часть разлагается, карбонаты переходят в окислы, а бромистые и йодистые соединения — в хлориды.

Применение этого метода привело к следующему условному определению солёности: солёностью считается количество твёрдого вещества в граммах, содержащееся в 1 кг морской воды, когда карбонаты перешли в окислы, бромиды и йодиды заменены их хлористыми эквивалентами и органическая часть окислена. Использовать этот метод на практике для массовых определений солёности невозможно в виду его сложности. В настоящее время для определения солёности используются два метода: метод Мора — Кнудсена и определение солёности по электропроводности воды.

Метод Мора — Кнудсена основан на постоянстве солевого состава морской воды. В нем солёность определяется по содержанию иона хлора, которое легко найти осаждением галогенов из пробы морской воды азотнокислым серебром. Солёность обозначается символом S и измеряется в г/кг или промилле ( 0 /₀₀) по формуле:

где Cl — хлорозность (масса серебра, потребная для полного осаждения галогенов в 0,3285234 кг морской воды).

Попытки определять солёность по электропроводности предпринимались ещё в 1930-е гг. Однако многочисленные технические трудности удалось преодолеть только к 1970-м гг. Были созданы приборы (солемеры), позволяющие измерять электропроводность не только в лаборатории, но и in Situ (на месте в воде), что в настоящее время широко используется в практике экспедиционных исследований с использованием зондирующих комплексов, в частности СТД-зондов (солёность, температура, давление).

В 1978 г. для определения солёности по электропроводности была разработана Шкала практической солёности (ШПС–78).Она основана на эмпирической зависимости электропроводности растворов стандартной морской воды. Эталоном в этом методе является водный раствор хлористого калия (КCl) при температуре 15 °С и давлении в одну стандартную атмосферу (101325 Па). Солёность, измеренная по электропроводности, была названа практической солёностью. При написании практической солёности знак промилле ( 0 /₀₀) опускается. В отечественной литературе используется аббревиатура «eпc» (единицы практической солёности), в англоязычной — «psu» (practical salinity units) или «PSS–78» (practical salinity scale). Численные значения практической солёности совпадают с численными значениями солёности, выраженной в промилле.

Солёность большинства океанских вод заключена в пределах от 33 до 37 епс. Исключением являются воды приустьевых участков рек, бассейнов опреснения (Балтийское и Чёрное моря), где солёность значительно меньше, и бассейны осолонения (Средиземное и Красное моря), где солёность превышает 38 епс. В открытых районах Балтийского моря солёность около 10 епс, в Невской губе — 2–3 епс. В Чёрном море солёность вод 17,5–18 епс. Средняя солёность Мирового океана равна 34,72 епс. Наименьшая солёность поверхностных океанских вод 34,43 епс наблюдается между 5 и 10 градусами широты, как Северном, так и в Южном полушариях. С удалением к северу в Северном полушарии солёность увеличивается и достигает максимума на пространстве между 25 и 30 градусами северной широты. В Южном полушарии максимальная солёность наблюдается между 20 и 25 градусами южной широты. Это так называемые субтропические максимумы солёности со значением 35,8 0 /₀₀. С удалением к полюсам солёность уменьшается.

Плотность. Удельный объём

В океанографии параметр состояния «масса» при использовании заменяется параметром «плотность», а объём — удельным объёмом. Физическое понятие плотности — это масса единицы объёма. В случае однородного тела его плотность одинакова по всему объёму и может быть определена по формуле:

Так как в океанографии эти параметры используются во многих практических расчётах, то вместо абсолютных значений плотности и удельного объёма используются:

• условная плотность (аномалия плотности);
• условный удельный объём (аномалия условного удельного объёма).

Эта замена не имеет физического смысла и используется только для того, чтобы сократить число знаков при проведении вычислений. Рассмотрим это на примере: средняя плотность морской воды при атмосферном давлении, температуре 17 °С и солёности 34,5 eпc ( 0 /₀₀) равна: ρ (34.5; 17; 0) = 1025,15 кг∙м -3 .

Условная плотность (аномалия плотности) обозначается обычно буквой σ и будет равна:

В толще воды существуют поверхности одинаковой плотности — изопикнические и поверхности одинакового удельного объёма — изостерические.

В зависимости от плотности воды изменяется осадка судна. Величина изменения дана в табл. 2.2.

Давление. Уравнение гидростатики

Давлением называется отношение силы, действующей по нормали к поверхности тела, к площади этой поверхности.

Если вода находится в состоянии равновесия, то давление — величина скалярная, т. е. оно одинаково во всех направлениях и не зависит от ориентации площадки ΔZ, на которую действует.

В толще воды океана, находящегося в состоянии покоя, давление на двух разных горизонтах будет отличаться на величину, равную ρgΔz, где ρ — плотность воды, g — ускорение силы тяжести, Δz — расстояние между горизонтами.

Таким образом, давление на глубине z будет равно:

Это выражение называется уравнением гидростатики.

Поверхности равного давления называются изобарическими.

В Международной системе единиц СИ за единицу давления принят паскаль (Па): 1 Па = 1 кг∙м -1 ∙с -2 = 1 н/м 2

В океанологии долгое время применялись внесистемные единицы, которые применяются и поныне: 1 бар = 10 5 Па; 1 дбар = 10 4 Па.

Последняя единица очень удобна для применения, так как при изменении глубины на 1 м, давление изменяется на 1 дбар.

Поэтому очень часто в океанологии вместо глубины в метрах, глубину дают в величинах давления. Например: глубина в 1000 дбар ≈ 1000 м.

В единицах СИ:
1000 м = 10 000 000 Па = 10 000 кПа= 10 МПа,

где кПа — килопаскали; МПа — мегапаскали.

Температура морской воды

Измерение температуры производится косвенным путём, то есть измеряются физические свойства тел или материалов, которые зависят от температуры. В качестве начала отсчёта шкалы температуры и единицы её измерения применяются температуры перехода чистой воды из одного агрегатного состояния в другое, т. е. температура плавления льда (Т₀) и кипения воды (Т_к) при нормальном атмосферном давлении.

В океанографии температура измеряется в градусах шкалы Цельсия. Различают температуру in Situ, т. е. температуру, измеренную на определенной глубине, и потенциальную температуру — это температура частицы воды, адиабатически приведённая от давления в точке измерения к заданному давлению (например, поднятой на поверхность). Кроме градусов Цельсия применяется температура в единицах абсолютной шкалы Кельвина (°К). Шкала Кельвина начинается от абсолютного нуля, равного −273,15 0С, т. е.

Температура воды в океане изменяется в пределах от

+30 °С. Нижний предел зависит от температуры замерзания, которая является функцией солёности морской воды. Вода солёностью 35 епс начнёт замерзать, когда её температура понизится приблизительно до −2 °С. Верхний предел зависит от теплообмена между океаном и атмосферой. В прибрежной мелководной зоне, в замкнутых морях температура может быть и больше 30 °С. Самая высокая среднегодовая температура воды наблюдается на пространстве между 5 и 10° с. ш. и равняется 27,4 °С (термический экватор). С удалением к северу и югу температура понижается и проходит через 0 °С (т. е. в область отрицательных температур) в Северном полушарии между 70 и 75° с. ш., а в южном — 60–65° ю. ш.

С глубиной температура воды убывает. В верхних слоях примерно до 1500 м характер убывания неодинаков и зависит от географической зоны. Однако, начиная с 1500 м, температура воды во всех океанах медленно понижается от 4–5 °С на верхней границе до 2–0 °С у дна. Исключение составляют полярные районы, которые имеют чётко выраженный промежуточный максимум в слое 300–500 м (1,75–1,83 °С) и подповерхностный минимум в слое 50–100 м (0,99–0,55 °С). На глубине 1500 м температура равна 1,14 °С. Изменение средних температур и солёностей воды с глубиной представлены в табл. 2.3.

Уравнение состояния морской воды

Зависимость, связывающая между собой плотность, температуру, солёность и давление, называется уравнением состояния морской воды.

В общем виде его можно записать так:

Это полный дифференциал плотности морской воды.

В настоящее время из-за сложности этой зависимости уравнение состояния морской воды не может быть найдено теоретически. Поэтому в практике расчётов используются эмпирические формулы. Однако эмпирические формулы также очень громоздки, что препятствует их непосредственному применению в теоретических моделях, которые применяются для изучения океанских течений. Поэтому часто используются более простые зависимости:

Литература

Гидрометеорологическое Обеспечение Мореплавания — Глухов В.Г., Гордиенко А.И., Шаронов А.Ю., Шматков В.А. [2014]

Источник