Вода – Яка щільність води?

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

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

Щільність води

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

Де:

• m – маса [кг]
• V – об’єм [м] ³

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

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

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

Де:

– t температура [K]

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

Щільність води залежить від температури

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

Щільність води залежить від температури

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

В’язкість води

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

Коефіцієнт динамічної в’язкості

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

Де:

– τ – напруга зсуву [Па],

– γ – швидкість зсуву [1/с]

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

Кінематичний (кінетичний) коефіцієнт в’язкості

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

Де:

– μ – динамічна в’язкість [кг /(м⋅с)]

– ρ – щільність [кг/м ³ ]

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

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

В’язкість води залежить від температури

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

В’язкість води як функція температури

Властивості морської води – температура, солоність – географія

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

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

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

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

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

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

Щільність морської води

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

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

Щільність води залежить від температури

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

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

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

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

Щільність води – табл

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

Таблиця щільності води

температура	Щільність	температура	Щільність [кг/м 3 ]
-10	998,15	35	994,06
-9	998,43	36	993,71
-8	998,69	37	993,36
-7	998,92	38	992,99
-6	999,12	39	992,63
-5	999,30	40	992,24
-4	999,45	41	991,86
-3	999,58	42	991,47
-2	999,70	43	991,07
-1	999,79	44	990,66
0	999,87	45	990,25
1	999,93	46	989,82
2	999,97	47	989,40
3	999,99	48	988,96
4	1000,00	49	988,52
5	999,99	50	988,07
6	999,97	51	987,61
7	999,93	52	987,15
8	999,88	53	986,69
9	999,81	54	986,21
10	999,73	55	985,73
11	999,63	60	983,24
12	999,52	65	980,59
13	999,40	70	977,81
14	999,27	75	974,89
15	999,13	80	971,83
16	998,97	85	968,65
17	998,80	90	965,34
18	998,62	95	961,92
19	998,43	100	958,38
20	998,23	110	951,00
21	998,02	120	943,40
22	997,80	130	935,20
23	997,56	140	926,40
24	997,32	150	917,30
25	997,07	160	907,50
26	996,81	170	897,30
27	996,54	180	886,60
28	996,26	190	875,00
29	995,97	200	862,80
30	995,67	210	850,00
31	995,37	220	837,00
32	995,05	230	823,00
33	994,73	240	809,00
34	994,40	250	794,00

Щільність води залежить від температури. Таблиця.

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

температура, °С	щільність, г/мл	температура, °С	щільність, г/мл
0	0.99987	52	0.9872
2	0.99997	54	0.9862
4	1.00000	56	0.9853
6	0.99997	58	0.9843
8	0.99988	60	0.9832
10	0.99973	62	0.9822
12	0.99953	64	0.9811
14	0.99927	66	0.9801
16	0.99897	68	0.9789
18	0.99862	70	0.9778
20	0.99823	72	0.9767
22	0.99780	74	0.9755
24	0.99733	76	0.9743
26	0.99681	78	0.9731
28	0.99626	80	0.9718
30	0.99568	82	0.9706
32	0.99506	84	0.9693
34	0.99440	86	0.9680
36	0.99372	88	0.9667
38	0.99300	90	0.9653
40	0,99225	92	0.9640
42	0,99147	94	0.9626
44	0.9907	96	0.9612
46	0.9898	98	0.9598
48	0.9890	100	0.9584
50	0.9881

Щільність дистильованої води з різних джерел при 4 с

Джерело	Щільність, г/мл	Джерело	Щільність, г/мл
Сніг	0,9999977	Тварини	1,0000012
Дощ	0,9999990	Рослини	1,0000017
Річки	1	Кристалізаційна вода мінералів	1,0000024
Океан	1,0000015

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

Отже, закон сталості складу суворо виконується лише молекул !

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

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

,

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

Молярна маса сірчаної кислоти:

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

Масові частки елементів у сірчаній кислоті:

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

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

Рішення. Масова частка сірки в оксиді:

(S) = 100 – 50 = 50%.

Знайдемо відношення кількостей сірки та кисню ¹ :

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

Отже, найпростіша формула оксиду – _SO2 .

2.3. Закон об’ємних відносин. Закон Авогадро

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

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

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

Наприклад, у реакції

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

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

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

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

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

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

Із закону Авогадро випливають важливі наслідки:

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

V _m (газу) = 22,4 л/моль (н. у.).

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

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

Наприклад, відносна щільність газу Х газу Y:

DY ₍ Х) = = .

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

-Відносна щільність газу Х по водню;

-відносна щільність газу Х повітрям,

де – середня молярна маса.

За відносними щільностями можна розраховувати молярні маси речовин. Так:

, Отже, M(Cl ₂ ) = 2· .

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

Рішення: запишемо рівняння реакції горіння етану:

2С ₂ Н ₆ + 7О ₂ = 4СО ₂ + 6Н ₂ О

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

По рівнянню реакції:

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

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

V(O ₂ ) = 4 ∙ 7 / 2 = 14 (м ³ ).

Аналогічно розраховуємо обсяг вуглекислого газу, що отримується в реакції:

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

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

V(СО ₂ ) = 4 ∙ 4 / 2 = 8 (м ³ ).

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

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

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

Щільність цього газу повітрям дорівнює:

= 1,6.

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

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

.

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

V(газу) = (газу) ∙ V(суміші),

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

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

Підставляючи ці значення формулу, отримаємо:

= 28,9 (г/моль).

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

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

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

Рішення. Середня молярна маса цієї суміші газів:

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

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

; = 34 (г/моль).

З отриманого виразу знаходимо х = 7у.

Таким чином, співвідношення кількостей кисню та озону в суміші:

(О ₂ ) = 7 ∙ (О ₃ ).

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

(Про ₂ ) = = ;

(О ₂ ) = = 0,875 (або 87,5%).

Знайдемо масову частку кисню у суміші:

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

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

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