Основные физические и химические свойства воды.

Вода́ (оксид водорода) — химическое вещество в виде прозрачной жидкости, без цвета (в малом объёме), запаха и вкуса. Химическая формула: Н2O. Вода – единственное вещество, которое встречается в естественных условиях на Земле во всех трех своих физических состояниях. В твёрдом состоянии называется льдом, снегом или инеем, а в газообразном — водяным паром. Вода является наиболее распространённым растворителем на планете Земля.

Известно, что молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, имеют избыток потенциальной энергии и поэтому стремятся втянуться внутрь так, что при этом на поверхности остается минимальное количество молекул. За счет этого вдоль поверхности жидкости всегда действует сила, стремящаяся сократить поверхность. Это явление в физике получило название поверхностного натяжения жидкости.

Вода имеет огнегасящие свойства, однако ее составляющие обладают сильным взрывоопасным свойством, водород горит, а кислород поддерживает горение.

Вода — это одно из немногих веществ в природе, которые расширяются при переходе из жидкой фазы в твёрдую, если бы этого не было – все водоемы на Земле покрылись бы вечным льдом.

Плотность воды в 775 раз превышает плотность воздуха. Удельный вес (плотность) пресной воды при +4⁰С составляет 1,0 г/см², средняя плотность морской воды при +20⁰С составляет 1, 025 г/см².

Почти все физико-химические свойства воды – исключение в природе. Эти особенности (аномалии) обусловлены особым молекулярным строением воды и наличием связей между молекулами.

Вода занимает площадь 361 млн. км², или 70,8 % поверхности Земли Мировой океан при средней глубине в 3,6 км и содержит 97,6 % известных мировых запасов свободной воды. По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10 - 12 раз больше, чем в Мировом океане. Пресная вода замерзает при 0⁰С (температура плавления льда), хотя наибольшая ее плотность при температуре +4 ⁰С, а морская вода с солёностью 3,5% замерзает при температуре –1,9 ⁰С. Вода практически несжимаема (её объём уменьшается на 1% лишь при давлении 200 кгс/см², т.е. на глубине 2000 м; на максимальной океанской глубине 11022 м вода сжимается на 4,5%).

Если бы на Земле не было впадин и выпуклостей, вода покрыла бы всю Землю слоем толщиной 3 км.

Если бы все ледники растаяли, то уровень воды в земных океанах поднялся бы на 64 метра, и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.

Взрослый человек содержит воды от 60 до 65%. В организме человека вода распределена неравномерно: в жировых тканях – 20%, в костях – 25%, в печени – 70%, в мышцах – 75%, в крови – 80%, в мозге – 85% от общей массы. Человек должен получать ежедневно с пищей и напитками около 2,5 л воды.

При нахождении водолаза под водой она оказывает на него механическое давление, которое зависит от глубины погружения. Так, например, человек, имеющий поверхность тела 1,7 – 1,8 м² , вне воды на уровне моря испытывает общее давление воздуха на тело, равное 17 – 18 тонн. Для упрощенных расчётов атмосферное давление Р_атм считается постоянным и равным 1 атм.,

тогда Р_абс = Р_изб + Ратм (1 атм.)

Рабс - абсолютное давление.

Ризб - избыточное давление (давление воды).

Ратм - атмосферное давление (давление атмосферного воздуха).

На каждые 10 метров глубины погружения давление морской (или 10,33метра пресной) воды условно увеличивается на 1 атмосферу. На глубине 60 метров оно будет в 7 раз больше чем на поверхности и составит 119 – 126 тонн. Исследования показали что при равномерном распределении давления, человеческий организм может переносить давление свыше 60 кг/см², при этом общая нагрузка на тело человека превышает 1000 тонн. Это обусловлено тем что человеческий организм в основном состоит из жидкости, а жидкость является практически не сжимаемым веществом.

Однако даже незначительный перепад давления может причинить вред человеку, если давление распределено неравномерно. Если не выравнивать давление в подмасочном пространстве, при погружении, наблюдается присасывающий эффект, который может привести к травмам мягких тканей лица. При всплытии даже с глубины 3 метра на задержке дыхания с наполненными легкими, водолаз может получить разрыв легочной ткани – баротравму легких. При погружении на глубину, без выравнивания давления в легких, происходит обжим грудной клетки или общий обжим водолаза, при погружении без выравнивания давления в вентилируемом снаряжении. Все эти травмы происходят при нарушении требований безопасности при водолазных спусках.

Из-за большой плотности воды, она оказывает неравномерное давление на верхние и нижние части тела при нахождении водолаза в вертикальном положении. Эта разница гидростатического давления при спуске водолаза без гидрозащитного скафандра, в гидрокостюме или гидрокомбинезоне составляет около 0,17 – 0,18 кгс/см² (при росте водолаза 170-180 см), что приводит к постоянному обжатию нижних конечностей, выраженному нарушению кровоснабжения в них и более быстрому охлаждению (рис 1.).   

При спуске в вентилируемом снаряжении разница гидростатического давления составит лишь около 0,1 кгс/см², поскольку верхняя часть туловища водолаза примерно до уровня нижней части грудной клетки находится в воздушной подушке. При использовании снаряжения с открытой схемой дыхания, в случае расположения

дыхательного автомата (легочного автомата) ниже центра грудной клетки – вдох будет легким, в выдох затруднен, а при расположении дыхательного автомата выше уровня центра грудной клетки – вдох затруднен, а выдох облегчен.

Теплопроводимость и теплоемкость жидкости.Вода обладает особыми теплофизическими свойствами, которые значительно отличаются от теплофизических свойств воздуха. Так, например, теплопроводность воды больше в 25 раз, а теплоемкость — в 4 раза. Удельная теплоемкость вещества показывает количество энергии, которую необходимо сообщить или отобрать, для того, чтобы увеличить или уменьшить температуру одного килограмма вещества на один градус Кельвина. Например удельная теплоемкость воды равняется 4,2 кДж - это значит, что для того, чтобы нагреть один килограмм воды на один градус, необходимо передать этому килограмму воды 4,2 кДж энергии. Удельная теплоемкость для любого вещества есть величина переменная, то есть она зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Удельная теплоемкость воды для 0°С равняется 4,218, а при 40°С 4,178 кДж. Для льда с температурой 0°С теплоемкость еще ниже - 2,11 кДж. необходимо отметить, что вода обладает самым высоким значением удельной теплоемкости. Чтобы обеспечить заданное количество температуры, вода должна поглотить или отдать количество тепла значительно больше, чем любое другое тело такой же массы. Теплоемкость воды медленно и незначительно уменьшается от 1,0074 до 0,9980 с повышением температуры от 0 до +40 °С, а у всех других веществ с ростом температуры теплоемкость увеличивается. Она также незначительно снижается с ростом давления (с увеличением глубины). Вода может поглощать большое количество теплоты, сравнительно мало нагреваясь при этом. Около 30 % энергии Солнца отражается атмосферой и уходит в мировое пространство, около 45% поглощается атмосферой и лишь около 25% солнечной энергии достигает поверхности океана. Часть ее (8 - 10%) отражается, а остальная часть поглощается. Из всей поглощенной энергии солнечного тепла, до 94% поглощает поверхностный слой воды толщиной 1 см. Более низкие слои воды нагреваются за счет естественной конвекции (связанной с неоднородностью среды по температуре и плотности) и вынужденной конвекции (перемешивания течениями, ветровым волнением и приливами). В результате поглощения и конвекции 60% солнечной энергии остается в верхнем метровом слое воды, а в 10-метровом слое — более 80%. На глубину 100 м при отсутствии интенсивного перемешивания обычно проникает не более 0,5—1% солнечной энергии.

Температура воды в верхних слоях водоемов зависит от климатических условий, и может находиться в пределах от -2 до +30°С. Морская вода с соленостью 0,35 % замерзает при температуре -1,9°С. Суточные изменения температуры воды зависят от характера облачности и обычно находятся в пределах 0,5—2,0°С. В основном эти изменения касаются лишь тонкого поверхностного слоя воды, и уже на глубинах 10—20 м суточные колебания температуры практически равны нулю. Годовые колебания температуры в океане не столь велики, как на суше. Резче всего годовая разница температур выражена в средних широтах, где она между августом и февралем может превышать 10 °С. На больших глубинах в средних и северных широтах температура постоянно сохраняется в диапазоне от +2 до +4 °С, в зависимости от солености воды.

Охлаждающее действие воды является одним из важнейших факторов, ограничивающих пребывание человека в водной среде. Она в значительной мере снижает производительность водолазного труда, а также является основной причиной гибели людей, оказавшихся в воде в результате кораблекрушения. Тепловой баланс организма раздетого человека в воде может поддерживаться на стабильном уровне только при условии равенства температур воды и тела, что невозможно в средних широтах. Большие теплопотери в воде объясняются ее высокими теплопроводностью и теплоемкостью. При нахождении под водой человека без гидрозащитной одежды основным способом теплоотдачи является теплопроведение, причем значительной потере тепла способствуют подвижность воды и передвижение самого водолаза. Человек нагревает своим телом все новые и новые слои воды, что приводит к более быстрой, чем на воздухе, потере тепла. При значительном превышении теплопотерь над теплопродукцией у человека, находящегося в холодной воде, быстро снижается температура тела, и развиваются симптомы переохлаждения.

С точки зрения уменьшения теплопотерь у водолазов предпочтение следует отдавать вентилируемому снаряжению. Воздушная подушка скафандра, являясь хорошим теплоизолятором, уменьшает теплоотдачу и при той же температуре воды сохраняет температуру тела на более высоком уровне, чем гидрокомбинезон или гидрокостюм, в которых имеется лишь незначительная воздушная прослойка. В гидрокомбинезоне (гидрокостюме) охлаждаются голова и область шеи, а при дыхании в аппарате усиливаются теплопотери с дыхательных путей. Особенно чувствительны к холоду у водолазов дистальные отделы ног. При обычном вертикальном положении водолаза под водой замерзание начинается с пальцев ног, что в значительной степени объясняется обжатием водой нижних конечностей. В последующем водолазы обычно предъявляют жалобы на замерзание рук, спины и поясницы. Менее чувствительны к холоду лицо, грудь, живот и ладони.

Распределение света и звука в воде. Видимость и слышимость под водой.Видимость в водной среде значительно хуже, чем в воздушной, что объясняется рядом причин. Освещенность под водой обычно невелика, в особенности на больших глубинах.

Одной из причин ухудшения видимости в воде является потеря света

за счет отражения солнечных лучей от зеркала моря. Количество отраженных

от поверхности воды лучей зависит в основном от угла их падения

на воду. Чем больше угол падения, тем больше отражение. В дневное время, когда в средних широтах угол падения солнечных лучей невелик

(менее 30°), поверхность воды отражает всего 2 % лучей. В утреннее

и вечернее время, когда угол падения приближается к 60°, количество

отраженных лучей возрастает до 21 %, в то время как снег — около 85 %. Под лёд океана проникает только 2 % солнечного света. При волнении моря

количество отраженных лучей становится во много раз больше.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта.

Синий цвет чистой воды в водоемах объясняется избирательным поглощением и рассеянием света в воде.

Прозрачность — показатель, характеризующий способность материала пропускать свет. Прозра́чность воды в гидрологии и океанологии — это отношение интенсивности света, прошедшего через слой воды, к интенсивности света, входящего в воду. Прозрачность воды — величина, косвенно обозначающая количество взвешенных частиц и коллоидов в воде.

Прозрачность воды определяется её избирательной способностью поглощать и рассеивать световые лучи и зависит от условий освещения поверхности, изменения спектрального состава и ослабления светового потока, а также концентрации и характера живой и неживой взвеси. При большой прозрачности вода приобретает интенсивный синий цвет, который характерен для открытого океана. При наличии значительного количества взвешенных частиц, сильно рассеивающих свет, вода имеет сине-зелёный или зелёный цвет, характерный для прибрежных районов и некоторых мелководных морей (например, Азовское море). В местах впадения крупных рек, несущих большое количество взвешенных частиц, цвет воды принимает жёлтые и коричневые оттенки. Речной сток может обуславливать темно-коричневый цвет морской воды (характерный, например, для вод Белого моря).

Классический полевой метод определения прозрачности в глубоких водоемах — по глубине исчезновения из вида плоского диска белой окраски, диаметром 20 см. (рис.2) или чёрно-белой окраски, диаметром 40 см. (рис.3) (диски Секки), предложенного как стандартный метод итальянским священником и астрономом Анджело Секки. Его опускают на такую глубину, чтобы он полностью исчез из виду, эта глубина и считается показателем прозрачности в гидрологии и океанологии. Для более точного определения записывают два отсчета: глубину исчезновения и глубину появления диска вновь при поднятии троса. Средняя величина этих значений принимается за относительную прозрачность воды в данном районе.

 Два типа дисков Секки:                    

                                                        Рис. 2.                       Рис. 3.

Свет распространяется в воде значительно хуже, чем в воздухе. Так,

например, если в воздухе при ясной погоде на 1 км пути поглощается

всего 5-10 % света, то в прозрачной (дистиллированной) воде на протяжении

1 м поглощается 10 % световой энергии, в озерной воде, — свыше 50 %, а в воде рек и у берегов морей, особенно в штормовую погоду, поглощение световой энергии на 1 м пути увеличивается до 85—95 %. Поглощение света водой значительно ухудшает видимость в водной среде. Поглощение световой энергии осуществляется разными путями. Часть энергии, проходя через воду, превращается в другие виды энергии, например в теплоту. Еще большее влияние на степень видимости в воде оказывает рассеивание световой энергии. Кроме значительного молекулярного рассеивания огромное значение имеют рассеивание и поглощение света постоянно находящимися в воде взвешенными твердыми частицами, в результате чего возникает явление «дымки», уменьшающей прозрачность воды. Поглощение лучей с различной длиной волны идет неравномерно. Красные лучи (длинноволновая часть видимого спектра) почти полностью поглощаются поверхностными слоями воды, зеленые лучи не проникают глубже 100 м, а коротковолновая часть (фиолетовые лучи) в наиболее прозрачной океанской воде может проникать на глубину до 1000—1500 м.

Влияние водной среды на функции зрительного анализатора. В водной среде из-за ее особых физических свойств изменяется деятельность зрительного анализатора. Помимо вышеизложенных факторов понижения освещенности и ухудшения видимости в воде это объясняется также характеристиками преломляющих сил водной среды и сред глаза. В воде преломляющая сила резко уменьшается, поскольку коэффициент преломления воды приближается к показателю преломления роговицы. При непосредственном соприкосновении глаз с водой уменьшается также поле зрения. Это происходит вследствие уменьшения преломления световых лучей, попадающих в глаз из водной среды. При этом на краевых частях сетчатки уже не получается изображения тех точек внешнего пространства, которые проецируются на них в воздушной среде.

При наличии между водой и глазом воздушной прослойки (стекло плавательных очков, маски или полумаски) преломляющая сила глаза полностью сохраняется, поскольку световые лучи проникают через стекла иллюминаторов или очков в глазные яблоки не из водной, а из воздушной среды. В этом случае уменьшение полей зрения связано с размерами иллюминатора или очков и расстоянием от них до глаза. Наличие воздушной прослойки между водой и преломляющими средами глаза нарушает привычные представления о местоположении и величине предметов, находящихся в воде. Нарушение пространственного зрения связано с тем, что световые лучи, переходя из водной среды в воздушную, претерпевают преломление (явление рефракции), в результате чего предметы в воде воспринимаются увеличенными и приближенными примерно на ¼ (рис 4), а при наблюдении сверху кажутся приподнятыми.

Главная особенность подводных звуков — их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно бо́льшие расстояния, чем, например, в воздухе. Кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды, на дальность распространения звуков под водой влияют рефракция звука, его рассеяние и поглощение различными неоднородностями среды. Влияние водной среды на функции слухового анализатора Функция слухового анализатора во время пребывания водолаза под водой изменяется в связи изменением соотношения между воздушной и костной проводимостью звуковых волн к внутреннему уху, а также с изменением скорости распространения звука в воде. В воздушной среде у людей с нормальным состоянием звукопроводящего аппарата воздушная проводимость значительно преобладает над костной. При погружении человека в воду на первое место выступает костная проводимость. Это происходит в результате того, что акустическое сопротивление воды приближается к акустическому сопротивлению тканей организма, а потому при переходе звуковых колебаний из воды на кожный покров и кости черепа их потери значительно меньше, чем в воздушной среде. В связи с этим воздушная проводимость в воде практически исчезает. Сохраняются лишь слабые звуковые колебания, передаваемые водой воздушной прослойке, остающейся в наружном слуховом проходе. Преобладание той или иной звукопроводимости зависит от типа водолазного снаряжения. При погружении под воду в вентилируемом скафандре с металлическим объемным шлемом, заполненным воздухом, звук воспринимается путем воздушной проводимости. Если голова подводного пловца или водолаза непосредственно соприкасается с водой или применяется плотно прилегающий шлем, то звук передается во внутреннее ухо посредством костной проводимости.

Звуки, генерируемые под водой, резко ослабляются при переходе в воздушную среду атмосферы. Переход звука из воздушной среды в водную сопровождается еще большей потерей звуковой энергии, так как 99,9 % ее отражается от раздела двух сред. Вследствие этого непосредственная связь (голосом) между водолазом и персоналом, обеспечивающим спуск, без специальных технических средств невозможна. Производимые под водой звуки могут быть восприняты человеком, частично погруженным в воду. При этом костная проводимость будет тем больше, чем меньше будет расстояние между погруженными частями тела и головой. Наибольшее усиление звука произойдет при погружении нижней части головы. При переходе звука из одной среды в другую меняется его частота. Характерно, что человек, погруженный в воду по шею, услышит дважды одиночный звук удара по металлическому предмету, частично погруженному в воду: первый короткий звук с более высоким тоном — подводный звук и второй, более длительный и низкочастотный — надводный. Определение человеком направления на источник звука в воздушной среде основано, во-первых, на разности времени прихода звука в правое и левое ухо, во-вторых, на изменении интенсивности звука, воспринимаемого каждым ухом при различных углах поворота головы, в-третьих, на разности фаз звуковой волны. Лица, имеющие нормальный слух, могут определять местоположение источника звука с достаточно большой точностью. После некоторой тренировки, средняя ошибка у большинства людей не превышает 3°. У некоторых людей эта точность может доходить до 1°. В водной среде условия для определения направления на генератор звука менее благоприятны, чем в воздушной. Вода является хорошим проводником звука. Средняя скорость распространения звука в морской воде составляет 1510-1550 м/с при 17°С, а в пресной воде - 1497 м/с при 25 °С, т.е. скорость звука в воде примерно в 4,5 раза больше, чем в атмосфере (331 м/с при О °С, 346 м/с при 25 °С). Поэтому при одной и той же частоте колебаний длина звуковой волны в воде увеличивается в 4—5 раз. Соответственно должна возрастать и величина ошибки с 3⁰ до 12⁰ - 15°. Однако наблюдения за водолазами показывают, что вместо этих теоретически ожидаемых значений величина ошибки достигает 80—100° и даже 180°. Причина добавочной ошибки заключается в наличии вокруг головы объемного шлема, а при использовании мягкого шлема или непосредственном воздействии воды — в преобладании костной проводимости. Независимо от положения тела относительно источника звука звуковые волны доходят до обоих ушей практически одновременно. Звук воспринимается как бы слышимым со всех сторон или как бы происходящим внутри шлема. Даже у опытных водолазов отклонение от фактического направления на источник звука может составлять 90—100°. Нарушение бинаурального восприятия звука затрудняет ориентацию. Это значительно усложняет операции по поиску под водой источников излучения (буи, «черные ящики», учебные торпеды и т.д.).

Влияние водной среды на функции проприоцептивного и кожного анализаторов. Изменения функций проприоцептивного и кожного анализаторов у водолазов связано с уменьшением веса тела в водной среде (гипогравитацией), увеличением сопротивления плотной среды при движениях, использованием специальных грузов для погашения положительной плавучести, обжатием участков тела гидростатическим давлением, повышенной по сравнению с воздухом теплопроводностью и рядом других факторов. Отмечается также повышение порогов болевой чувствительности, поэтому человек не всегда замечает повреждения тела, которые могут возникнуть во время его нахождения под водой. Выраженные изменения происходят в деятельности двигательного анализатора. Резкое уменьшение веса тела в воде приводит к снижению чувствительности центров движения. На фоне значительного ухудшения временных и пространственных характеристик движения силовые показатели изменяются относительно мало, особенно при значительных усилиях. При компенсации гипогравитации грузами, адекватными типу снаряжения и способу его использования, пространственные характеристики движений могут быть почти полностью восстановлены. Высокая пластичность нервной системы позволяет организму водолаза или подводного пловца после соответствующей тренировки приспособиться к условиям водной среды. Чем больше стаж работы в водной среде, тем меньше нарушаются функции двигательного анализатора, а водолаз чувствует большую уверенность при различных ситуациях под водой. При одинаковом стаже работы известное значение имеют также уровень физического развития и степень физической подготовленности. У водолазов и спортсменов-подводников высокой квалификации проприоцептивная чувствительность нарушается меньше, чем у неподготовленных лиц.