Теплофизические характеристики морской воды

К теплофизическим характеристикам морской воды относят ее теплоемкость, молекулярную теплопроводность, границы фазовых переходов и энергетические преобразования, связанные с этими переходами.

Одним из важнейших термодинамических параметров любого вещества, в том числе и морской воды, является теплоемкость. При изучении связи теплоемкости с другими параметрами системы целесообразно полагать, что теплота и работа приводят к изменению только внутренней энергии. Это облегчит рассмотрение связей между внутренними параметрами системы, не зависящими от ее положения в пространстве и движения. Из уравнений состояния морской воды следует, что в качестве независимых переменных следует использовать, по крайней мере, три параметра. В данном случае в качестве таких параметров возьмем температуру Т, объем V и соленость S. Выразим полный дифференциал внутренней энергии через производные по этим трем элементам¹:

Доронин Ю. П. Физика океана.

где (ы — химический потенциал морской воды, который пропорционален разности потенциалов соли и пресной воды.

Разделив обе части равенства на dT и предполагая, что изменение объема и состава смеси системы не происходит, можно получить:

При перечисленных ограничениях частный дифференциал совпадает с полным, а полученное выражение (4.3.2) называют теплоемкостью при постоянных объеме и составе смеси^[1]:

Для однофазной системы это будет просто теплоемкость при постоянном объеме. Если использовать выражение энтропии из второго начала термодинамики для обратимого процесса, то формула (4.3.3) может быть переписана следующим образом:

Это наиболее широко известное определение теплоемкости как некоего параметра системы, характеризующего необходимое количество теплоты, которое ей нужно сообщить для изменения температуры на один градус.

Обычно используется удельная теплоемкость, определяющая количество теплоты, необходимое для изменения температуры одного грамма вещества на один градус.

Если процесс протекает не при постоянном объеме системы, а при неизменном давлении, то в этом случае употребляется теплоемкость при постоянном давлении, или изобарическая теплоемкость:

Несмотря на зависимость удельной теплоемкости морской воды от ее температуры, солености и давления, диапазон ее изменений не превышает 5%, и при решении многих океанологических задач она принимается постоянной.

Следующей важной теплофизической характеристикой морской воды является ее теплопроводность, определяющая скорость передачи теплоты. Она выражается коэффициентом теплопроводности, под которым понимают количество теплоты, протекающей через единицу площади сечения воды в единицу времени при единичном градиенте температуры. Различают молекулярную Х_м и турбулентную теплопроводность X. Первая определяется физическими свойствами воды и зависит от скорости движения молекул, длины их свободного пробега, плотности воды. Значение ее для пресной воды при атмосферном давлении и температуре 20 °C составляет 0,6 Вт/(м-град) и уменьшается примерно на 10~² Вт/(м-К) при понижении температуры на каждые 10 °C. Соленость не оказывает заметного влияния на значение Х_м.

Турбулентная теплопроводность определяется в основном характеристиками динамического состояния среды, зависит от интенсивности и характера течений. Считается, что коэффициенты турбулентной теплопроводности и диффузии обычно больше молекулярных.

При конденсации пара и при кипении жидкости наряду с теплообменом происходит массообмен. Например, испарившаяся жидкость путем диффузии распространяется в парогазовом потоке, при этом изменяются режим течения и интенсивность теплоотдачи.

Диффузия — это самопроизвольное равновесное распределение концентраций внутри фаз. В процессе диффузии происходит перенос вещества (массы) из области с большей его концентрацией в область с меньшей^[2].

Как и теплообмен, диффузия (массообмен) может осуществляться молекулярным (микроскопическим) и молярным (макроскопическим) способами. Молекулярная диффузия в газах осуществляется путем беспорядочного теплового движения молекул. Тепловое движение в жидкостях имеет более сложный характер.

Диффузия характеризуется потоком массы (количеством вещества), проходящим в единицу времени через данную поверхность в направлении по нормали к ней J, кг/с. Плотность потока массы равна.

При j = const, J = jF. Для однородной 2-фазной неподвижной среды концентрационная диффузия i-го компонента по закону Фика:

где D — коэффициент диффузии, м²/с. Вспомним закон Фурье:

где X — коэффициент теплопроводности, м²/с; р, — концентрация i-ro компонента; Эр,/Эп — градиент концентрации, направленный по нормали в сторону возрастания концентрации.

Градиент концентрации — движущая сила массообмена, знак «минус» в законе Фика означает, что вещество перемещается в сторону, противоположную направлению градиента концентрации. В законе Фика речь идет о концентрационной диффузии. Если температура смеси переменная, то возникает термодиффузия; а если есть градиент давления, то еще и бародиффузия. Тогда с учетом трех диффузий молекулярный массоперенос будет равен^[3]:

где т, = р,/р) относительная массовая концентрация i-ro компонента; р — плотность смеси, кг/м³, D_T = k_TD — коэффициент термодиффузии, м²/с; D_P = k_pD — коэффициент бародиффузии, м²/с; Т и Р — температура и давление смеси.

Выражения (4.3.11) и (4.3.12) представляют собой термодиффузионное и бародиффузионное отношения соответственно. Обычно для смеси термодиффузионное отношение k_T < 1, поэтому термодиффузия существенна только при больших АТ.

Для бинарной смеси бародиффузионное отношение:

где pj, р₂, I^[3] — молекулярные массы компонентов и смеси; р_1? р₂, р — плотности компонентов и смеси.

Бародиффузия проявляется при больших Ар. В случаях кипения воды и конденсации пара молекулярные массы жидкой и газовой фаз равны, р_а ⁼ ц₂ — бародиффузия отсутствует, так как к_р = 0.

• [1] Архипкин В. С., Добролюбов С. А. Океанология: основы термодинамики морскойводы: учеб, пособие для вузов., 2017.
• [2] Алексеенко С. В. Феноменологическая теория процессов переноса в сплошных средах: учеб, пособие. Красноярск: Изд-во Красноярского госуниверситета, 1988.
• [3] Гебхартп Б., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло-массообмен. Кн. 1: пер. с англ. М.: Мир, 1981.
• [4] Гебхартп Б., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия Б. Свободноконвективные течения, тепло-массообмен. Кн. 1: пер. с англ. М.: Мир, 1981.