Прочносвязанная вода
Кроме образования связанной воды из водяных паров (гигроскопическая влага), имеет место также образование ее из воды в жидком состоянии.
Грунтовые частицы, насыщенные влагой до величины максимальной гигроскопичности, могут притягивать к себе новые порции воды и создавать новые слои связанной воды. Однако эти слои притягиваются и удерживаются значительно меньшими силами, чем вода гигроскопическая, поэтому влага в них по своим свойствам значительно меньше отличается от обыкновенной жидкой воды.
Молекулярную воду разделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную (слабосвязанную).
Молекулы влаги, расположенные вблизи поверхности частицы, прочно связаны и находятся в плотном состоянии, а остальная часть воды слабо связана (притянута) и поэтому находится как бы в рыхлом состоянии. Прочносвязанная вода обладает рядом свойств, которые отличают ее от обычной воды. Прочносвязанная вода обладает пониженной способностью к растворению. Рядом исследователей установлено, что прочносвязанная вода имеет повышенную плотность, доходящую до 1,74; такая плотность может иметь место лишь при давлении в несколько десятков тысяч атмосфер.
Прочносвязанная вода обладает способностью сопротивляться сдвигу, т. е. приобретает признаки упругого твердого тела.
Далее, прочносвязанная вода замерзает при температуре, значительно более низкой, чем 0°, а часть связанной воды, наиболее близкая к поверхности грунтовой частицы, не замерзает вообще.
Прочносвязанная вода не обладает электропроводностью. Слабосвязанная вода из всех особых свойств, присущих прочносвязанной воде, сохраняет пониженную растворяющую способность. Кроме того, слабосвязанная вода также обладает и некоторыми особыми механическими свойствами, промежуточными между свойствами свободной и прочносвязанной воды. Увеличение толщины оболочек связанной воды вызывает раздвигание этими оболочками частиц (эффект расклинивания).
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Прочносвязанная вода
Даунес [117], изучая степень высушивания различных видов шерсти при 105 С, установил, что при скорости потока воздуха от 500 до 1000 мл / мин сухое состояние достигается примерно через 8 мин, если использовать одинаково упакованные воздушно-сухие образцы массой 100 г. Сухим состоянием считается такое, при котором потеря массы за 15 мин не превышает более чем на 0 05 % обычное влагосодержание, соответствующее влажности воздушно-сухого образца ( regain) шерсти. Однако Даунес обнаружил заметное уменьшение массы шерсти после многочасового высушивания и предположил, что при этом степень высушивания зависит от выделения прочносвязанной воды и последующей ее диффузии из волокон шерсти. [21]
При температуре начала замерзания не вся вода в грунтах переходит в лед. Значительная часть воды диффузионной оболочки и прочносвязанная вода не замерзают. Эту воду принято называть незамерзшей. [22]
Результаты исследований представлены на рис. 3.7 в виде графика зависимости коэффициента устойчивости глины от количества содержащейся в ней прочносвязанной воды. Как видно, эта зависимость имеет линейный характер: с увеличением содержания прочносвязанной воды в исходной глине ее устойчивость растет. [24]
Вода в мерзлых грунтах может находиться во всех основных состояниях: парообразном, жидком и твердом. Водяной пар находится в порах мерзлого грунта в виде мельчайших капелек воды, которые не соприкасаются с минеральными частицами грунта. Водяной пар наблюдается в порах мерзлого грунта при очень низких температурах. В любом мерзлом грунте при любой отрицательной температуре содержится некоторое количество незамерзшей воды. Например, в мнрголетнемерзлых грунтах содержится от 5 до 25 % незамерзшей воды. Как известно из физики грунтов, минеральные частицы водонасыщенных грунтов плотно окружены адсорбированными молекулами воды. Следующие слои воды образуют область рыхлосвязанной воды. И, наконец, в более удаленных от поверхности частиц местах, где молекулы воды имеют беспорядочное движение и не связаны минеральными частицами, находится свободная вода: Самый плотный слой воды ( прочносвязанная вода ) вообще не замерзает. Она с такой силой присоединена к минеральным частицам грунта, что не превращается в кристаллический лед при температуре 84 К. Рыхлосвя-занная вода составляет основную часть незамерзшей воды. [29]
Связанная вода
Связанную воду, в свою очередь, делят на химически и физически связанную.
Химически связанная вода входит в состав некоторых минералов и включает конституционную и кристаллизационную воду (и ту и другую называют также кристаллогидратной). Эта вода входит в состав твёрдой фазы почв и не является самостоятельной физической фазой. Она не передвигается в почве и не имеет свойств растворителя. Конституционная вода представлена группой ОН в таких соединениях как Fe(OH)3, Al(OH)3, а также в ОН-группой в органических соединениях. Кристаллизационная вода представлена молекулами Н2О в кристаллогидратах, например в гипсе: CaSO4·2H2O, мирабилите: Na2SO4·2H2O. Химически связанную воду можно удалить лишь путем нагревания, а некоторые формы (конституционную воду) – только прокаливанием минералов. В результате удаления химически связанной воды свойства минералов изменяются настолько, что можно говорить о переходе их в иное соединение.
Физически связанную (или сорбированную) воду почва удерживает силами поверхностной энергии. Поскольку величина поверхностной энергии возрастает с увеличением общей суммарной поверхности частиц, то содержание физически связанной воды зависит от размера частиц, слагающих почву. Частицы крупнее 2 мм в диаметре не содержат физически связанную воду; этой способностью обладают лишь частицы, имеющие диаметр 9 Па. Находясь под столь большим давлением, молекулы прочносвязанной воды сильно сближены, что меняет многие свойства воды. Она приобретает некоторые качества твердого тела: её плотность достигает 1,5 – 1,8 г/см 3 ; она не растворяет электролиты; на не замерзает; неё более высокая вязкость, чем у обычной воды и она не доступна растениям. Количество водяного пара, сорбированного почвой зависит от влажности воздуха. Максимальной гигроскопической водой (МГ) считают предельное количество воды, которое может быть поглощено почвой из парообразного состояния при относительной влажности воздуха 94 – 98%, при этом толщина сорбированной плёнки достигает 3–4 слоев молекул воды. В почвах минеральных МГ колеблется в пределах 0,5 – 1%, в слабо гумусированных песках и супесях – до 15-16%, в сильно гумусированных суглинках, глинах и в торфах может достигать 30-50%.
Гигроскопическая влага не способна передвигаться (рис. 2 ). Для растений она недоступна, полностью удаляется при высушивании почвы в течение нескольких часов при температуре 100–105 °С.
Рыхлосвязанная (или плёночная) вода – это вода, удерживаемая в почве сорбционными силами сверх МГ. Почва удерживает её с меньшей силой и ее свойства не так резко отличаются от обычных свойств воды. Тем не менее, сила притяжения еще достаточно велика, и обеспечивает давление порядка (10÷14)·10 5 Па. Рыхлосвязанная вода также распределена в виде плёнки, однако толщина её может достигать несколько десятков или сотен эффективных диаметров молекул воды. Рыхлосвязанная вода занимает по своим свойствам промежуточное положение между гигроскопической и свободной водой. Она может передвигаться от почвенных частиц с более толстыми водяными плёнками к частицам, у которых она тоньше со скоростью несколько сантиметров в год. Её количество также зависит от типа почв (в песчаных– 3-5%, в глинистых может достигать 30-35%). Периферические молекулы воды в рыхлом слое доступны растениям.
Свободная вода. Свободная вода – это вода, которая содержится в почве сверх рыхлосвязанной и не связана сорбционными силами с почвенными частицами. У молекул свободной воды нет строгой ориентировки относительно частиц почвы. Различают две формы свободной воды в почве – капиллярную и гравитационную.
Капиллярная вода удерживается в почвенных порах малого диаметра – капиллярах, под воздействием капиллярных или менисковых сил.
Рисунок 4. Поверхностное натяжение
Значение поверхностного натяжения зависит от формы поверхности жидкости и радиуса капилляра. Поверхностное давление, развивающееся под плоской поверхностью жидкости, называется нормальным. Для воды оно равно 1,07·10 9 Па. Давление уменьшается, если поверхность жидкости вогнутая (рис. 5), и увеличивается, в случае поверхности выпуклой.
Искривление поверхности жидкости ведёт к появлению в ней дополнительного капиллярного давления Δp. Величина этого давления связана со средним радиусом кривизны R поверхности уравнением Лапласа:
Рисунок 5. Проявление капиллярных сил.
Чем меньше диаметр поры, тем больше капиллярное давление и жидкость может выше подняться. В почвах менисковые (капиллярные) силы начинают проявляться при диаметре пор менее 8 мм, но особенно велика их сила в порах с диаметром 100 – 3 мкм. Система пор в почве очень сложна, и поры имеют различные диаметры, поэтому образуются мениски с различными радиусами кривизны, которые обеспечивают различное поверхностное давление. С этим давлением связывают способность почв удерживать определенное количество влаги и подъем воды в капиллярных порах.
В зависимости от характера увлажнения почвы различают капиллярно-подвешенную, капиллярно-посаженную и капиллярно-подпертую и воду.
Капиллярно-подвешенная вода заполняет капиллярные поры при увлажнении почвы сверху (пори дожде, поливе). При этом под увлажненным слоем находится сухой слой почвы. Вода увлажненного слоя как бы «зависает» над сухим слоем почвы. В природных условиях в распределении капиллярно-подвешенной воды по профилю почв всегда наблюдается постепенное уменьшение влажности с глубиной. Подвешенная вода удерживается в почвах достаточно прочно, но до определенного предела, обусловленного разностью давлений, создаваемой в менисках верхней и нижней поверхностей водного слоя. Если этот предел разницы давлений превышен, начинается стекание воды. Капиллярно-подвешенная вода может передвигаться как в нисходящем направлении, так и вверх, в направлении испаряющейся поверхности. Это движение прекращается, когда капилляры из-за недостатка воды разрываются. Влажность, при которой это происходит, называется влажностью разрыва капилляров (ВРК). При активном восходящем движении воды в почвах близ поверхности происходит накопление веществ, содержащихся в растворенном виде в почвенном растворе. Засоление почв в поверхностных горизонтах обязано во многом данному явлению. Происходит это в том случае, если в почвах в пределах промачиваемого с поверхности имеется горизонт скопления легкорастворимых солей или если полив почв осуществляется минерализованными водами.
В суглинистых почвах количество капиллярно-подвешенной воды и глубина промачивания почвы за счет этой формы воды могут достигать значительных величин.
Одной из разновидностей капиллярно-подвешенной воды, встречающейся главным образом в песчаных почвах, является вода стыковая капиллярно-подвешенная (рис. 20). Возникновение ее в почвах легкого механического состава обязано тому, что в этих почвах преобладают поры, размер которых превышает размер капилляров. В данном случае вода присутствует в почвах в виде разобщенных скоплений в местах соприкосновения – стыка – твердых частиц в форме двояковогнутых линз («манжеты»), удерживаемых капиллярными силами (рис. 6).
Рисунок 6. Стыковая капиллярно-подвешенная вода.
Капиллярно-подпертая вода образуется при подъеме ее снизу вверх по капиллярам от грунтовых вод, или верховодки. Слой почвы или грунта, содержащий капиллярно-подпертую воду непосредственно над водоносным горизонтом называют капиллярной каймой. Капиллярно-подпертая вода встречается в почвенно-грунтовой толще любого гранулометрического состава. В почвах тяжелого механического состава она обычно от 2 до 6 м, в песчаных почвах от 0,4 до 0,6 м. Чем выше к поверхности почвенного профиля, тем меньше содержание капиллярно-подпертой воды в кайме. Мощность капиллярной каймы при равновесном состоянии воды в ней характеризует водоподъемную способность почвы.
Подперто-подвешенная капиллярная водаобразуется в слоистой почвенно-грунтовой толще, в мелкозернистом слое при подстилании его слоем более крупнозернистым, над границей смены этих слоев. В слоистой толще из-за изменения размеров капилляров на поверхности раздела тонко- и грубодисперсных горизонтов возникают дополнительные нижние мениски, что способствует удержанию некоторого количества капиллярной воды, которая как бы «посажена» на эти мениски.
Поэтому в слоистой толще распределение капиллярной воды имеет свои особенности. Так, на границе слоев различного гранулометрического состава наблюдается повышение влажности, в то время как в однородных почвах влажность равномерно убывает либо вниз по профилю (при капиллярно-подвешенной воде), либо вверх по профилю (при капиллярно-подпертой воде). Влажность слоистой почвенно-грунтовой толщи при прочих равных условиях всегда выше влажности толщи однородной.
Капиллярная вода по физическому состоянию жидкая. Она очень подвижна, способна обеспечить восполнение запасов воды в поверхностном горизонте почвы при интенсивном потреблении ее растениями или при испарении, свободно растворяет вещества и перемещает растворимые соли, коллоиды, тонкие суспензии.
Гравитационная вода – это свободная вода, которая не удерживается сорбционными силами и капиллярами и передвигается вниз под воздействием силы тяжести.
Для нее характерны жидкое состояние, высокая растворяющая способность и возможность переносить в растворенном состоянии соли, коллоидные растворы и тонкие суспензии. Гравитационную воду делят на просачивающуюся гравитационную и воду водоносных горизонтов (подпертая гравитационная вода).
Просачивающаяся гравитационная вода передвигается по порам и трещинам почвы сверху вниз. Появление ее связано с накоплением в почве воды, превышающей удерживающую силу менисков в капиллярах. Гравитационная вода не только вызывает вынос или горизонтальную миграцию химических элементов, но и может обусловливать недостаток кислорода в почве.
Вода водоносных горизонтов – это грунтовые, почвенно-грунтовые и почвенные воды (почвенная верховодка), насыщающие почвенно-грунтовую толщу до состояния, когда все поры и промежутки в почве заполнены водой (за исключением пор с защемленным воздухом). Эти воды могут быть либо застойными, либо стекающими в направлении уклона водоупорного горизонта. Удерживаются они в почве и грунте вследствие малой водопроницаемости подстилающих грунтов.
Присутствие значительных количеств свободной гравитационной воды в почве – явление неблагоприятное, свидетельствующее о временном или постоянном избыточном увлажнении, что способствует созданию в почвах анаэробной обстановки и развитию глеевого процесса.
Дифференцируя содержащуюся в почве воду на различные формы необходимо осознавать, что это разделение весьма условно, поскольку вода находится под влиянием нескольких сил одновременно (рис. 7). Доступность различных форм воды для растений представлена на рис. 8
Рисунок 6. Формы воды в почве. 1 – частица почвы; 2 – гравитационная вода; 3 – гигроскопическая вода; 4 – почвенный воздух; 5 – плёночная вода; 6 – зона открытой капиллярной воды; 7– 8зона капиллярной воды; 9 – уровень грунтовых вод; 10 – грунтовые воды.
Рисунок 8. Доступность для растений различных форм воды
5 аномальных фактов о воде
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.
Когда замерзает водопровод?
. минимальный проток водопровод ни разу не перемерз, успешно обеспечивая водой санузлы. Несмотря на некоторую странность темы статьи, попробуем разобраться.
Для ответа на вопрос «Когда замерзает водопровод?» нет необходимости составлять очередной алгоритм и писать программу. В предыдущих публикациях на этом сайте в категории «Теплотехника» есть для этого все необходимые расчеты!
Пример. Расчет в Excel.
Условия задачи:
Проложенный по воздуху в неотапливаемом помещении участок стального водопровода без теплоизоляции длиной L =20 м выполнен из круглой трубы с наружным диаметром D =33,5 мм и с толщиной стенки s =2,8 мм. Температура окружающего воздуха (среды) tс =-10 °С. Скорость движения воздуха v =1 м/с. Температура воды на входе в трубопровод t1 =+5 °С. Давление воды в трубопроводе P =0,1 МПа. Коэффициент температуропроводности воды а =0,000000143 м 2 /с. Температура замерзания воды t3 =0 °С.
1. Найти время начала замерзания воды в трубе при отсутствии расхода.
2. Вычислить минимальный расход воды, при котором водопровод не замерзает.
Решение:
1. Для вычисления плотности, теплоемкости и теплопроводности воды воспользуемся программой из статьи «Теплофизические свойства воды». В исходные данные введем среднюю температуру воды из интересующего нас диапазона +5…0 °С.
Время остывания воды (труба полностью заполнена) до критической температуры замерзания при отсутствии расхода рассчитаем по программе из статьи «Время охлаждения (нагрева)». Все исходные данные для этого у нас есть из условий задачи и предыдущего первого расчета.
Первая часть задачи решена. Время охлаждения неподвижной воды в трубопроводе до 0 °С — около 21 минуты.
Обращаю внимание и напоминаю, что выполненный расчет носит оценочный характер! В частности, теплоемкость оболочки – стенки стальной трубы – этот расчет не учитывает.
2. Минимальный теоретический расход воды, при котором водопровод не должен замерзать, рассчитаем с помощью программы из статьи «Расчет теплоотдачи трубы». Примем температуру воды на выходе из трубопровода t2 =+1 °С. Это означает, что падение температуры воды на двадцати метрах не должно превысить | dtтрГГ |=4 °С.
Сравнительно небольшой проток 0,015 кг/с (или примерно 0,92 л/мин) воды с температурой t1 =+5 °С на входе обеспечит мощность притока тепловой энергии PтрГГ =256,6 Вт, которой достаточно для поддержания системы в стационарном равновесном состоянии. При этом температура воды на выходе двадцатиметровой трубы будет равна t2 =+1 °С.
Проверка:
Рассчитанная мощность Q =262 Вт приближенно равна теплоотдаче из предыдущего третьего расчета PтрГГ =256,6 Вт, а вычисленный коэффициент теплоотдачи α =9,6 Вт/(м 2 *К) равен коэффициенту теплоотдачи из второго расчета, где его в исходных данных мы определили по скорости движения воздуха.
Ответ:
1. Замерзает водопровод при отсутствии движения воды уже через 21 минуту.
2. При расходе воды около 1 л/мин (при средней скорости движения воды
Заключение.
Конечно, в реальных условиях температуру воды +1 °С на выходе из трубопровода поддерживать нельзя. Желательно иметь запас подальше от точки кристаллизации с учетом возможных колебаний скорости и температуры, как воздуха, так и воды. Также необходимо учитывать наличие сужений и массивных теплоотводов-холодильников в виде опор трубопровода, корпусов и других деталей запорной арматуры.
Все четыре использованные в статье теплотехнические программы в Excel доступны на сайте для свободного скачивания.
Прошу уважающих труд автора скачивать файлы с программами расчетов после подписки на анонсы статей!
P. S. (25.11.2019)
Проверил в программе Agros2D результаты расчетов, выполненных в статье.
Результат: при всех тех же исходных данных и коэффициенте теплоотдачи на наружной поверхности трубы α =9,6 Вт(м 2 *К) процесс замерзания воды в трубе при отсутствии движения начнется через
23 минуты (1380 секунд). Расчет в Agros2D выполнен без учета конвективного перемешивания воды в трубе, но с учетом теплоемкости стенки трубы, которая «добавила» к предыдущему результату пару минут.
