Description:

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.ВЛОМОНОСОВА Географический факультет B.C. Архипкин, С.А. Добролюбов Основы термодинамики морской воды Учебное пособие М.: Диалог-МГУ, 1998 ISBN 5-89209-260-7 В настоящем учебном пособии рассматриваются структура воды и ее свойства, основные законы классической термодинамики и их применение к морской воде как двухкомпонентной системе, состоящей из чистой воды и морской соли. Приведены современные формулы вычисления термодинамических свойств морской воды. Пособие предназначено для студентов-океанологов географических факультетов университетов и гидрометеорологических институтов, а также для научных работников, имеющих отношение к исследованию вод океанов и морей. УДК 551.46 ББК 26.221 А87 Оглавление: Cip. Условные обозначения 5 Предисловие 7 ГЛАВА 1. Структура воды и ее свойства 9 1.1. Строение молекулы воды 9 1.2. Структура воды: наблюдения и модели 12 1.3. Аномальные физические свойства воды 16 1.4. Свойства тяжелой воды 18 ГЛАВА 2. Основные понятия и законы термодинамики 22 2.1. Определение термодинамических систем 22 2.2. Исходные положения термодинамики 26 2.3. Первое начало термодинамики 28 2.4. Второе начало термодинамики и энтропия 30 2.5. Методы термодинамических исследований 35 2.6. Второе начало термодинамики для неравновесных процессов и условия равновесия термодинамических систем 44 2.7. Основные положения неравновесной термодинамики 49 ГЛАВА 3. Равновесная термодинамика морской воды 58 3.1. Основные термодинамические соотношения для морской воды как двухкомпонентной системы 60 3.2. Параметры состояния морской воды: температура, давление, соленость 66 3.3. Плотность и удельный объем 70 3.4. Поле силы тяжести. Геопотенциал динамическая глубина 74 3.5. Уравнение состояния морской воды 80 3.6. Термодинамическая T.S-диаграмма 86 3.7. Термическое расширение и соленостное сжатие. Изошщческая производная 89 3.8. Температура наибольшей плотности 93 3.9. Теплоемкость морской воды 96 3.10. Сжимаемость морской воды 104 3.11. Адиабатический градиент температуры. Потенциальная температура 107 3.12. Скорость распространения звука 112 3.13. Энтропия, энтальпия, химический потенциал 115 3.14. Нелинейные свойства морской воды 118 3.15. Вертикальная устойчивость. Частота Вяйсяля 122 3.16. Нейтральные поверхности в океане 130 3.17. Осмотическое давление 136 3.18. Скрытая теплота испарения. Давление насыщенного пара 139 3.19. Температура замерзания морской воды 142 3.20. Вязкость 144 3.21. Поверхностное натяжение 147 Список литературы 149 Условные обозначения и единицы измерения: p - давление (кг-м"2 или бар) V - объем (м^3) T - температура (0C или К) s - энтропия (Дж-°К"1) u - удельная энтропия (Дж-кг"1-°K"1) U - внутренняя энергия (Дж) S - удельная внутренняя энергия (Дж-кг"1) μхимический потенциал ηдинамическая вязкость ((кг•с"2)/м^3 или Н-м"2) β - коэффициент термического расширения (0C"1) P - коэффициент соленостного сжатия (0C"1 или епс"1) κ - коэффициент изотермической сжимаемости (0C"1) K4 - коэффициент адиабатической сжимаемости (0C"1) τ - термический коэффидент давления (упругости) (0C"1) c„ - отношение теплоемкостей поверхностное натяжение (н•м-1) g - ускорение силы тяжести (м/с2) S - соленость (_о или епс) Cl - хлорность морской воды (_о) ρ - плотность (кг-м"3) σ9 - аномалия плотности (условная плотность) (кг-м"3) σ09 - аномалия потенциальной плотности (кг-м"3) V - удельный объем (м^3/кг) Vstp - удельный объем in situ PSTp - плотность in situ V* - условный удельный объем b - аномалия удельного объема (м^3/кг) z - глубина (м) Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме (Дж-кг"1-°K"1) CP - удельная теплоемкость при постоянном давлении (Дж-кг"1-°K"1) К - объемный модуль упругости (бар) N - частота Вяйсяля-Бренга (с"1) E - вертикальная устойчивость (м"1) Et - вертикальная температурная устойчивость (м"1) Es - вертикальная соленостная устойчивость (м"1) V - кинематическая вязкость (м2-с4) Ф - географическая широта U - скорость звука (м/с"1) Ω - параметр Кориолиса (с"1) R - коэффициент электропроводимости (безразмерный) Ф - геопотенциал (М2-С2-Дж-кг"1) D - динамическая глубина (высота) (М2-С2-О-1дин.-м) К - объемный модуль упругости (бар) L - скрытая теплота испарения (Дж-кг"1) L' - скрытая теплота сублимации (Дж-кг"1) P - осмотическое давление (бар) Светлой памяти профессора Олега Ивановича Мамаева посвящается эта книга. Предисловие В предлагаемом учебном пособии рассматриваются вопросы применения основных положений равновесной термодинамики к морской воде как к двухкомпонентной системе, состоящей из чистой воды и морской соли. Использование термодинамических принципов позволяет расширить наши знания о многих процессах, протекающих в морях и океанах, особенно в их глубинных слоях. Термодинамические методы применяются, например, в T.S-анализе водных масс, при изучении вертикальной устойчивости вод и их сжимаемости, при изучении взаимодействия океана и атмосферы и т.д. Однако не надо забывать, что большое количество процессов, происходящих в океане, неравновесны; их изучение методами равновесной термодинамики неправомерно. Поэтому мы рассматриваем только те процессы, которые можно отнести к равновесным. Большинство вопросов, затрагиваемых в этой книге, можно найти в работах Праудмэн, 1957; Fofonofi, 1961, 1962; Хорн, 1972; Millero, 1976, 1982, 1983. В настоящее время учебных пособий, посвященных только термодинамике морской воды, практически нет. В некоторых учебниках имелись лишь отдельные главы по этой тематике, что, естественно, ограничивало полноту изложения данного вопроса. Все они изданы достаточно давно. Необходимость издания такого пособия диктуется утверждением новых фундаментальных океанографических стандартов - Шкалы практической солености, 1978 и Международного уравнения состояния морской воды, 1980, повсеместному использованию давления как вертикальной координаты в современной зондирующей аппаратуре. На кафедре океанологии МГУ им. М.В. Ломоносова проблемой термодинамики океана долгие годы занимался профессор О.И. Мамаев. За это время им было опубликовано ряд монографий и большое количество статей, в которых исследовались различные аспекты термодинамики морской воды. О.И. Мамаев привлекал к этой работе многих сотрудников кафедры, в результате чего были опубликованы работы. Учебное пособие состоит из трех частей. В первой части дается описание структуры воды и ее свойств. На первый взгляд, данный раздел не вписывается в концепцию этой книги. Однако мы хотели еще раз подчеркнуть сложность строения воды и в свете этого показать выигрышность применения термодинамических методов для изучения свойств морской воды, не требующих знания ее молекулярной структуры. Вторая часть посвящена основным положениям и законам термодинамики и призвана ликвидировать разрыв между классической термодинамикой как разделом физики и прикладными аспектами, имеющими отношение к океанологии. Третья часть содержит описание термодинамических свойств морской воды как двухкомпонентной системы. Авторы выражают благодарность сотруднику кафедры океанологии МГУ Л.Н. Александровой за техническую помощь при подготовке рукописи к печати. Учебное пособие выполнено при финансовой поддержке проекта № 336 Федеральной целевой программы «Интеграция», гранта Президента РФ № 96-15-97108 и гранта РФФИ № 96-05-65061. ГЛАВА 1. Структура воды и ее свойства Физические свойства морской воды, кинетика протекающих в ней химических процессов определяются свойствами воды как растворителя и составом растворенных в ней веществ. Исследования последних десятилетий показали, что эти особенности могут быть объяснены молекулярным строением H2O: специфическим электромагнитным полем, ориентацией соседних молекул и характером связей между ними. В этой главе будут вкратце рассмотрены молекулярное строение и свойства жидкой воды. Наиболее подробно этот вопрос освещается в работах Prudhomme, 1972; Eisenberg, Kauczynski, 1975. Ключевые слова: энергия, звук, тяжесть, уравнение состояние, равновесный, лёд, обмен тепло, теорема эйлер, бар, классический термодинамика, термодинамический равновесие, положение, вертикальный, замерзание, потенциал, молекула, растворенный вещество, температура, термодинамический соотношение, вид, система, формула, неравновесный, частота вяйсяля, свойство, пресный вода, состояние морской, эмпирический, поле, атом кислород, рис, градиент, энтропия, сила, постоянный, объем, следующий, замкнутый система, атом водород, соленостный сжатие, температура соленость, мочь, жидкий состояние, адиабатический, внутренний энергия, океан, изолированный система, состояние, соотношение, термодинамический параметр, морской вода, исходный положение, пар, окружающий среда, химический равновесие, подставлять, неравновесный процесс, счёт, соотношение максвелл, случай, устойчивость, потенциальный температура, физик, термодинамический, структура вода, параметр, тело, зубов, мамаев, однородный функция, результат, значение, вода, соль, соленость, внутренний, внешний сила, вещество, полный, масса, энтальпия, взаимодействующий частица, мир, смешение, непрерывный движущийся, уровень, термодинамический система, толща океан, -ьг, чистый, скорость звук, химический, разность, равновесие, параметр система, связь, увеличение, потенциальный, функция, основатель термодинамика, форма пфаффа, удельный, внешний, соотношение гиббса, линейный приближение, величина, точка, параметр состояние, термодинамика, северный атлантика, внешний среда, внутренний параметр, процесс, термодинамический потенциал, солёность, форма теплота, движение, часть, система состоящий, начало, изотоп кислород, коэффициент, объём, производный, вода взаимодействовать, море, вязкость, раствор, удельный энтальпия, равный, закон термодинамика, удельный теплоемкость, постоянный объем, водный масса, термический, преобразование теплота, сжимаемость, теплота, единица, внешний параметр, переменный, скорость, обмен вещество, воды, гидромегеоиздат, жидкий фаза, плотность, обмен энергия, соседний молекула, модуль упругость, циклический процесс, морской вод, внутренний трение, температура солёность, частица, число, помощь, моряхн океан, глубина, выражение, химический потенциал, работа, условие, слой, чистый вода, метод, теплоемкость, лед, дифференциал, пар электрон, термохалннный устойчивость, жидкий вода, осмотический давление, давление, потенциальный плотность, теплоёмкость, полный дифференциал, ана, соленый вода, океанология, соотношение связывающий, удельный объем, изменение, определение, удельный объём, толща вода, уравнение, дбар, жидкость, структура, расширение, агрегатный состояние, мировой океан, функция состояние, шкало температура, вод, теплота плавление, явление, компонент, модель, величина определяемый, форма соль, пара, нейтральный поверхность, изотермический процесс, количество, стационарный состояние, поверхность, зависимость, свободный энергия, соотношение взаимность, водный, термодинамический сила, время, интенсивный параметр, морской, переход, область, эмпирический путь, атмосферный, пары, каменкович, адиабатический выравнивание, атмосферный давление, отношение, конечный состояние, морская воды, изотопный состав