《水的物理性質(zhì)》課件

水的物理性質(zhì)水是地球上最常見物質(zhì)課程目標(biāo)1理解基本概念掌握水分子結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵物理性質(zhì)2認(rèn)識(shí)特殊性了解水的異常性質(zhì)及其意義應(yīng)用價(jià)值水的基本信息化學(xué)式H?O分子量18g/mol分布范圍覆蓋地球71%表面水分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子鍵角約104.5°，呈V形結(jié)構(gòu)鍵長O-H鍵長約0.96?水分子的極性電荷分布氧原子帶部分負(fù)電荷偶極矩1.85德拜，較高極性氫鍵形成分子間強(qiáng)相互作用力水的三態(tài)固態(tài)（冰）0°C以下，分子排列有序1液態(tài)（水）0-100°C，流動(dòng)性好2氣態(tài)（水蒸氣）100°C以上，分子自由運(yùn)動(dòng)3水的相變?nèi)刍虘B(tài)→液態(tài)1蒸發(fā)液態(tài)→氣態(tài)2凝結(jié)氣態(tài)→液態(tài)3凝固液態(tài)→固態(tài)4水的相圖三相點(diǎn)0.01°C，611.2Pa臨界點(diǎn)374°C，22.1MPa相變曲線展示不同溫壓條件下狀態(tài)水的密度1g/cm3最大密度4°C時(shí)達(dá)到峰值0.997g/cm320°C密度常溫時(shí)略微降低0.958g/cm3100°C密度沸點(diǎn)時(shí)明顯降低水的密度異常性10-4°C密度隨溫度升高而增大24°C達(dá)到最大密度1g/cm334°C以上密度隨溫度升高而減小冰的密度冰的密度0°C時(shí)約0.917g/cm3冰晶結(jié)構(gòu)六方晶系，內(nèi)含空隙漂浮現(xiàn)象冰比水輕約8%密度異常的生態(tài)意義水體從表面結(jié)冰底部保持液態(tài)狀態(tài)水生生物得以在冬季生存水的比熱容定義升高1克水1°C所需熱量數(shù)值4.18J/(g·°C)特點(diǎn)遠(yuǎn)高于大多數(shù)常見物質(zhì)水的高比熱容的影響1溫度調(diào)節(jié)減緩溫度變化幅度2海洋作用形成溫和型海洋氣候3生物意義維持生物體內(nèi)溫度恒定水的熱膨脹系數(shù)水在低溫區(qū)域熱膨脹系數(shù)為負(fù)值溫度升高后系數(shù)增大水的表面張力數(shù)值72.8mN/m（20°C）溫度影響溫度升高，表面張力減小比較液體中最高表面張力之一表面張力的實(shí)際應(yīng)用水黽行走利用表面張力支撐身體毛細(xì)現(xiàn)象水在細(xì)管中上升泡沫形成表面活性劑降低表面張力水的黏度黏度定義流體內(nèi)部阻力單位：mPa·s水的黏度20°C時(shí)約1.0mPa·s較低，流動(dòng)性好溫度影響溫度升高黏度降低0°C時(shí)約1.8mPa·s水的壓縮性1低壓縮性幾乎不可壓縮2壓縮系數(shù)4.6×10?1?Pa?13深海環(huán)境高壓下密度變化小水的聲速1482m/s純水中聲速25°C時(shí)1450m/s海水中聲速表層海水典型值343m/s空氣中聲速比水中低4倍多水的電導(dǎo)率1純水5.5×10??S/m2自來水0.005-0.05S/m3海水約5S/m水的介電常數(shù)數(shù)值20°C時(shí)約80比較遠(yuǎn)高于大多數(shù)液體影響使水成為優(yōu)良溶劑水的折射率數(shù)值20°C時(shí)約1.33視覺影響水下物體位置偏移色散現(xiàn)象彩虹形成原理水的吸收光譜波長(nm)吸收率(%)水在可見光區(qū)域透明度高在紫外和紅外區(qū)域吸收顯著水的透明度測量方法塞氏盤法純凈水可見深度達(dá)80米影響因素懸浮物、微生物濃度水的蒸汽壓溫度(°C)蒸汽壓(kPa)溫度升高導(dǎo)致蒸汽壓指數(shù)增長100°C時(shí)蒸汽壓等于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水的汽化潛熱1數(shù)值2260kJ/kg（100°C）2特點(diǎn)最高汽化潛熱液體之一3氣候影響調(diào)節(jié)全球熱量分布4生物利用出汗降溫機(jī)制基礎(chǔ)水的融化潛熱334kJ/kg融化潛熱冰轉(zhuǎn)化為水所需能量2260kJ/kg汽化潛熱比融化潛熱高近7倍80kJ/kg鐵的融化潛熱水遠(yuǎn)高于大多數(shù)物質(zhì)水的凝固點(diǎn)降低1純水0°C，標(biāo)準(zhǔn)凝固點(diǎn)21%NaCl溶液-0.6°C左右310%NaCl溶液-5°C至-6°C4海水約-1.9°C水的沸點(diǎn)升高溶質(zhì)導(dǎo)致沸點(diǎn)升高壓力增加導(dǎo)致沸點(diǎn)升高海拔升高導(dǎo)致沸點(diǎn)降低水的滲透壓原理水分子通過半透膜流動(dòng)生物應(yīng)用細(xì)胞體積調(diào)節(jié)機(jī)制技術(shù)應(yīng)用反滲透海水淡化水的毛細(xì)作用原理表面張力和附著力共同作用植物運(yùn)輸水分在導(dǎo)管中上升土壤吸水水分在土壤孔隙中移動(dòng)水的粘附力和內(nèi)聚力粘附力水分子與其他物質(zhì)之間的吸引力內(nèi)聚力水分子之間的相互吸引力平衡效應(yīng)決定水的浸潤性和形狀水的溶解性溶質(zhì)被溶解的物質(zhì)1溶劑水作為"萬能溶劑"2溶液均勻混合物3溶解度隨溫度變化4水的極性溶劑性質(zhì)極性物質(zhì)鹽、糖、醇類易溶離子化合物被水分子包圍非極性物質(zhì)油脂、蠟難溶水的氫鍵形成條件分子間氧-氫-氧連接鍵能約20kJ/mol，較弱影響特性高沸點(diǎn)、高比熱、表面張力水的團(tuán)聚現(xiàn)象1水分子簇水分子形成的動(dòng)態(tài)團(tuán)簇2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)平均4-5個(gè)分子形成簇3存在時(shí)間皮秒級(jí)快速形成解離水的潤濕性親水表面：接觸角<90°疏水表面：接觸角>90°超疏水表面：接觸角>150°水的滲透性滲透系數(shù)表示水流過介質(zhì)難易程度達(dá)西定律描述地下水流動(dòng)基本規(guī)律土壤應(yīng)用影響灌溉和排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)水的流動(dòng)性層流雷諾數(shù)小，流線平行有序湍流雷諾數(shù)大，流動(dòng)混亂雷諾數(shù)Re=ρvd/μ，判斷流態(tài)水的壓力傳遞帕斯卡定律壓力各方向等大傳遞液壓系統(tǒng)利用不可壓縮性傳遞力靜水壓力與深度成正比水的浮力1阿基米德原理浮力等于排開液體重力2浮力計(jì)算F浮=ρ液gV排3物體浮沉取決于密度與浮力平衡水的波動(dòng)性質(zhì)波長相鄰波峰間距離頻率單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)次數(shù)波速與水深相關(guān)水的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)1蒸發(fā)吸熱每克水蒸發(fā)吸收2260J熱量2溫度降低表面溫度顯著下降3應(yīng)用實(shí)例出汗降溫、冷卻塔、蒸發(fā)式空調(diào)水的超臨界狀態(tài)臨界溫度臨界壓力溶解能力反應(yīng)性應(yīng)用價(jià)值溫度374°C、壓力22.1MPa以上兼具液體溶解性和氣體流動(dòng)性水的過冷現(xiàn)象1定義溫度低于0°C仍保持液態(tài)2條件純凈水、無擾動(dòng)、緩慢冷卻3不穩(wěn)定性輕微擾動(dòng)即結(jié)晶水的結(jié)晶形態(tài)雪花六角形基本結(jié)構(gòu)霜花表面直接凝華形成冰晶溫度影響晶體形態(tài)水的同位素效應(yīng)1重水(D?O)熔點(diǎn)3.82°C，沸點(diǎn)101.4°C2超重水(T?O)氚代水，放射性3研究應(yīng)用示蹤劑、核反應(yīng)堆減速劑4生物效應(yīng)高濃度抑制生物代謝水的磁化現(xiàn)象磁處理水通過磁場處理的水物理變化氫鍵結(jié)構(gòu)可能暫時(shí)改變研究狀態(tài)效果存在爭議，機(jī)理不明水的記憶效應(yīng)概念水保留溶質(zhì)信息的假說爭議主流科學(xué)不認(rèn)可研究態(tài)度需基于科學(xué)方法驗(yàn)證水的電解現(xiàn)象原理電流使水分解產(chǎn)物氫氣和氧氣應(yīng)用氫能源、水處理水的熱對流加熱底部水體升溫1上升密度減小，上浮2冷卻表面水體散熱3下沉密度增大，下沉4水的熱傳導(dǎo)0.6W/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)20°C液態(tài)水2.2W/(m·K)冰導(dǎo)熱系數(shù)0°C固態(tài)冰401W/(m·K)銅導(dǎo)熱系數(shù)金屬遠(yuǎn)高于水水的熱輻射1水表面吸收和發(fā)射紅外輻射2大氣中水汽吸收地表長波輻射3溫室效應(yīng)水汽是主要溫室氣體水的光學(xué)特性水面反射：部分光線被反射折射現(xiàn)象：改變光線傳播方向散射效應(yīng)：懸浮顆粒散射光線水的聲學(xué)特性聲波傳播水中聲速約1500m/s海洋聲學(xué)水下通信和探測基礎(chǔ)生物應(yīng)用海洋生物回聲定位水的電學(xué)特性靜電感應(yīng)水流可產(chǎn)生電荷分離電解質(zhì)溶液離子傳導(dǎo)電流介電特性高介電常數(shù)影響電場分布水的物理性質(zhì)的應(yīng)用1工業(yè)應(yīng)用熱交換、冷卻、溶劑、反應(yīng)介質(zhì)2環(huán)境保護(hù)污染物處理、水質(zhì)監(jiān)測3能源利用水力發(fā)電、熱能存儲(chǔ)