HYDROLOGIA wykład 1 12.10.2012r.

Prowadzący: Marek Nawalany, p.814

WODA – PODSTAWA ŻYCIA I CYWILIZACJI

1. Woda – dopasowuje się do obszarów, w których się znajduje.

Wszystkie procesy na świecie mają swoją dynamikę, dzieją się dynamicznie, są w ciągłym ruchu (zaobserwowano to na podstawie zachowania się wody).

Wisła – nazwa rzeki od słowa „woda” – „vis” (w języku węgierskim woda w dalszym ciągu rozumiana jest jako „vis”).

1. Organizm człowieka od stadium embrionalnego rozwija się w wodzie, woda jest niezbędna do życia (wypłukuje z organizmy toksyny i odpady reakcji biochemicznych = bez wody po trzech dniach rozpocząłby się proces zatruwania organizmu przez te odpady).

2. Co to jest woda?

„Natura jest ciągłym ruchem materialnych i niepodzielnych cząstek (atomów), których połączenie daje w efekcie różnorodne ciała” – Demokryt z Abdery

XVIII w. – Antoni Levoisier (ojciec współczesnej chemii) – wymyślił równania stechiometryczne. Rozłożył wodę na atomy proste – udowodnił, że woda nie składa się z jednej, a z dwóch substancji (wodór i tlen) – stworzył do tego całą teorię, prawo zachowania masy – jest twórcą fundamentalnych stwierdzeń współczesnej nauki.

1. Cząsteczka wody

• H₂O – najprostszy trwały związek wodoru z tlenem (88,81% masy – tlen, 11,19% masy – wodór).

Ponieważ obie te substancje mogą występować w postaci izotopów, istnieje 36odmian izotopowych wody (3 izotopy wodoru i 6 izotopów tlenu).

Izotopy wodoru:

• Hydrogen H₁ – 1 proton, 1 elektron, cząstka jest z zewnątrz neutralna

• Deuter D₂ – 1 proton, 1 elektron, 1 neutron – cząstka jest neutralna z zewnątrz

• Tryt T₃ – 1 proton, 1 elektron, 2 neutrony – jest niestabilny, promieniotwórczy, emituje cząstki γ; jest w stanie wzburzonym, schodzi niżej pod względem energetycznym i wtedy emituje cząstkę γ.

Izotopy tlenu:

• O₁₆ – O₁₉ – przybywa neutronów, atom robi się coraz cięższy.

Wodory (jako cząsteczka) mogą wchodzić do cząsteczki wody na 6 sposobów:

• HH

• HD

• HT

• DD

• TT

• DT

W każdym może występować 6 różnych odmian tlenu, zatem 6*6 = 36

Względna częstość występowania ważniejszych odmian izotopowych:

H2^16O	100 000
H2^18O	204
H2^17O	37
D2^16O	5 (ciężka woda)

Doczytać: do czego w przemyśle jądrowym używa się ciężkiej wody i dlaczego? Co to była bitwa o ciężką wodę? – woda ciężka spowalnia szybkie atomy…

1. H₂O – prosta cząstka wody; cząstka dipolowa (tj. ładunek dodatni i ujemy są rozsunięte), odległość H-O wynosi 0,96A, odległość H-H wynosi 1,54A, kąt rozwarcia H-O-H wynosi 105^o.

Zasada Pauliego – w jednym punkcie (jednej przestrzeni) nie mogą przebywać dwie cząstki elementarne o tych samych liczbach kwantowych. – jądro wodoru zbliża się do atomu tlenu, ale generalnie elektrony je wypychają z powrotem.

Wniosek: tworzą się asocjacje (tzw. megacząstki). Wiązania wodorowe są bardzo słabe – szybko się rozpadają. Asocjacje są największe przy temperaturze wody bliskiej 0^o (przejście ze stanu stałego do ciekłego) – 0^o to najniższa temperatura, w której woda ma stan ciekły – cząsteczki wody w tej temperaturze mają najniższą energię kinetyczną.

Temperatura – miara średniej energii kinetycznej cząstek.

• Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych sąsiadów – w krysztale lodu = 4

• Układ elementarnej cząsteczki wody – heksagonalny

1. Gęstość wody – anomalna rozszerzalność wody

• Gęstość wody w przedziale (0^oC – 3,98^oC) wzrasta

• Gęstość wody w przedziale (3,98^oC – 100^oC) maleje.

Temperatura [^oC]	Gęstość [kg/m^3]
0	999,87
3,98	1000,00
5	999,99
10	999,73
15	999,13

(ilustracja tabeli na wykresie)

Takie zachowanie gęstości względem temperatury = ANOMALIA

Gęstość lodu jest o 10% mniejsza niż gęstość wody w temperaturze 0^oC – wynosi 916,80 kg/m³.

Ze wzrostem temperatury wszystkie substancje (normalnie) rozszerzają się – ich gęstość maleje. Z wodą jest inaczej. Dlaczego w przedziale (0^oC – 3,98^oC) gęstość wody rośnie?

W miarę dostarczania energii do wody – w0^oC było bardzo dużo asocjacji- asocjacje zrywają się, przez co z dużych megacząstek tworzą się elementarne cząstki H₂O, które „lepiej się upakowują”. – lepsze upakowanie zwycięża nad rozszerzaniem się, zatem gęstość rośnie (a nie maleje). W drugim przedziale (3,98^oC – 100^oC) powoli zaczyna wygrywać (przeważać) proces rozszerzania się substancji.

W temperaturze 0^oC występuje skokowa wartość temperatury (lód jest mniej gęsty od wody) – dlaczego? Zanika układ chaotyczny, natura wymaga porządku i symetrii – taka sama ilość materiału w stanie stałym zajmuje więcej miejsca – kryształy lodu potrzebują więcej miejsca, dużo osi symetrii, objętość zwiększa się.

1. Woda przechłodzona

Zdarza się, że mając wodę w 0^oC, a ciepło odbierając jej spokojnie, bez drgań, można doprowadzić wodę do temperatury -5^oC bez uzyskania zarodzi krystalicznych.

Krzepnięcie cieczy przechłodzonej odbywa się w ułamku sekundy.

1. Podstawowe własności wody

Masa cząsteczkowa	18,0153
Gęstość, kg/m3 (20^oC)	998,2
Temperatura topnienia, ^oC	0,0
Temperatura wrzenia, ^oC	100,00
Temperatura max. Gęstości, ^oC	3,98
Ciepło topnienia, J/g	333,75
Ciepło parowania, J/g	2260
Ciepło właściwe, J/(gK)	4,19
Napięcie powierzchniowe, Nm/m (20^oC)	72,75
Lepkość dynamiczna, mNs/m^2	1,000
Przewodność elektrolityczna, S/m	5*10^-6

Masa cząsteczkowa – średnia ważona mas wszystkich odmian wody, występujących w przyrodzie (mnożona przez częstość występowania jako wagę)

Ciepło topnienia = ciepło krzepnięcia [J/g] - tyle dżuli trzeba dostarczyć, aby stopić 1g wody

Ciepło właściwe – ile dżuli dostarczyć, aby ogrzać 1g wody o 1K [J/gK]

Podstawowe własności wody – cd:

Konsekwencje gęstości wody:

• Lód wypływa na powierzchnię zbiorników wodnych

• Woda o największym ciężarze właściwym (temp. 3,98*C) „tonie” i znajduje się na dnie zbiornika wodnego

• Woda osiąga gęstość lodu dopiero w temperaturze +70*C.

1. Prawo Archimedesa – ciało A unosi się na powierzchni ciała B tylko wtedy, gdy ρ_A ≤ ρ_B.

2. Ciepło właściwe wody:

• Wśród wszystkich substancji chemicznych woda odznacza się jedną z największych wartości ciepła właściwego – 4186 J/(kgK)

• Oznacza to dużą pojemność cieplną wody, a w konsekwencji dużą bezwładność (łagodność) zbiorników wodnych na temperaturowe wymuszenia zewnętrzne – trudno odebrać wodzie ciepło, ale trudno też ją ogrzać.

• Duża wartość ciepła topnienia lodu powoduje, że woda pod lodem jest dobrze izolowana termicznie