Вода находится в природе в жидком, твердом и парообразном состоянии. Переходы воды из одного агрегатного состояния в другое - фазовые переходы:
- переход из жидкого состояния в твердое (лед, снег, град) - замерзание воды (кристаллизация ледообразование), в пар – испарение;
- из парообразного состояния в жидкое — конденсация (образование капель дождя, дождь, росы), в твердое - сублимация (образование инея, гололеда, изморози);
При нормальном давлении пресная вода замерзает при температуре О°С; при увеличении минерализации (солености) и давления (атмосферы, слоя воды) она понижается. Испарение существенно повышается с увеличением температуры и уменьшением атмосферного давления.
Тепловые "аномалии" воды:
1) Очень большие значения
- удельной теплоемкости (1 кал для нагревания 1г воды на 1°С); это обусловливает замедленное, по сравнению с воздухом, нагревание и охлаждение воды, отсюда отепляющее влияние океана зимой и охлаждающее - летом;
- удельной теплоты плавления и ледообразования (соответственно поглощение и выделение 80 кал на 1г воды); последнее замедляет нарастание ледяного покрова на реках и водоемах;
- удельной теплоты парообразования, или испарения (требуется 597 кал на превращение 1г воды в пар), это ведет к охлаждению поверхности воды при испарении и замедлению процесса высыхания водоемов в засушливых местностях.
2) Низкая теплопроводность воды и льда, что замедляет охлаждение воды на реках и водоемах зимой.
Особенности изменения плотности воды (ρ):
1) Наибольшая плотность пресной воды наблюдается при 4°С; при возрастании температуры выше этого значения плотность воды (как и других жидкостей) уменьшается, при уменьшении температуры ниже 4°С плотность воды также уменьшается; это главная особенность воды, препятствующая промерзанию рек и водоемов до дна.
2) Плотность воды, в отличие от других жидкостей, в твердом состоянии (лед) меньше, чем в жидком (плотность дистилированной воды при 4°С 1000кг/м3 или 1кг/л, при 0°С 999,9кг/м3, плотность кристаллического льда при 0°С 917кг/м3); это предотвращает опускание льда, образующегося на поверхности воды, на дно. Плотность пористого льда и тем более снега намного меньше, чем кристаллического льда. С понижением температуры льда плотность его немного увеличивается.
С увеличением солености (S) плотность воды возрастает, а температура наибольшей плотности (Тн.пл.) и температура замерзания (Тзмрз) воды понижаются, Тн.пл.. от 4°С, Тзмрз от 0°С при S = 0‰. Тн.пл._ понижается более интенсивно, чем Тзмрз. При S = 24,7%, Тн.пл сравниваются: Т н.пл. = Тзмрз. = -1,2°С.
К важным особенностям воды относится очень высокое поверхностное натяжение (уступающее по величине только ртути). Оно вызвано силами притяжения между молекулами воды на поверхности раздела вода - воздух или вода - твердое тело. Это свойство обуславливает подъем воды в капиллярах почвы и растений.
Относительно высокая текучесть воды вызвана сравнительно небольшой вязкостью, т.е. силой трения между смежными слоями движущейся жидкости. Количественный показатель этого свойства - динамический коэффициент вязкости (μ). Деля этот коэффициент на плотность воды, получают кинематический коэффициент вязкостиυ = μ/ρ. Вязкость существенно уменьшается с увеличением температуры воды.
Если выделить в водном потоке объем в виде куба, верхняя и нижняя грани которого параллельны водной поверхности, то на него будут действовать силы, относящиеся а) ко всей массе объема - это объемные, или массовые силыи б) к граням выделенного объема - поверхностныесилы. Последние делятся на нормальные, направленные перпендикулярно граням, и касательные, действующие вдоль граней.
К объемным (массовым) относятся следующие силы:
1. Сила тяжести(Fg), направленная вертикально вниз (к центру Земли) Fg = mg, где т - масса, g - ускорение силы тяжести. Продольная составляющая силы тяжести, вызывающая движение воды, Fgnp = mg sinα = mgI, где α - угол между водной и горизонтальной поверхностями, I = sinα - уклон водной поверхности.
2. Центробежная сила(Fц) проявляется на поворотах потока. Если представить участок реки на повороте в виде дуги окружности, то расстояние от нее до центра окружности называется радиусом кривизны (r). Тогда Fц = mv2/r, где v - скорость течения. Гц направлена перпендикулярно дуге окружности в сторону от центра.
3. Сила Кориолиса(Fк), возникающая в результате вращения Земли и направленная перпендикулярно движению потока в северном полушарии вправо, в южном влево. Fk=2 mv sinφ, где φ - географическая широта. Fк увеличивается от экватора, где она равна нулю, к полюсам.
Центробежная сила и сила Кориолиса заметно проявляется только для крупных потоков (с большой величиной массы воды).
К нормальным поверхностным силам относится гидростатическое давление,т.е. воздействие на грани выделенного объема вышележащего столба покоящейся жидкости, и гидродинамическое давление,т.е. воздействие движущейся жидкости на эти грани и обтекаемые ею твердые тела.
Среди касательных поверхностных сил наибольшее значение для потоков имеет сила тренияна дне. Для турбулентного потока ее величина, отнесенная к единице площади дна (удельное трение, или касательное напряжение), зависит от характера дна (его шероховатости), пропорциональна плотности воды и скорости течения для ламинарного течения и квадрату скорости для турбулентного.
Виды движения воды:
Указанные виды движения воды различаются тем, что при ламинарном течениичастицы воды движутся по параллельным траекториям без перемешивания, а при турбулентном течениив потоке возникают вихри, приводящие к перемещению частиц воды по глубине и ширине потока.
В качестве показателя гидродинамического характера потока используется число Рейнольдса:Re = vh/υ, где v - скорость течения (в м/с), h — глубина потока (в м), υ -кинематический коэффициент вязкости (в м2/с). При значениях Re < 300 движение ламинарное, при Re > 3000 - турбулентное, между этими значениями Re характер потока переходный.
В водных объектах различают также поступательное движение,при котором происходит перемещение воды в определенном направлении, и колебательное движение,при котором такое перемещение отсутствует.