《水的物理性质》课件

水的物理性质水是地球上最常见物质课程目标1理解基本概念2认识特殊性掌握水分子结构和关键物理了解水的异常性质及其意义性质应用价值水的基本信息化学式分子量H₂O18g/mol分布范围覆盖地球71%表面水分子结构结构组成键角键长一个氧原子和两个氢约

104.5°，呈V形结构O-H键长约

0.96Å原子水分子的极性电荷分布氧原子带部分负电荷偶极矩

1.85德拜，较高极性氢键形成分子间强相互作用力水的三态液态（水）20-100°C，流动性好固态（冰）10°C以下，分子排列有序气态（水蒸气）3100°C以上，分子自由运动水的相变熔化蒸发1固态液态液态气态→→2凝固凝结43液态固态气态液态→→水的相图三相点

0.01°C，

611.2Pa临界点374°C，

22.1MPa相变曲线展示不同温压条件下状态水的密度1g/cm³

0.997g/cm³最大密度20°C密度4°C时达到峰值常温时略微降低

0.958g/cm³密度100°C沸点时明显降低水的密度异常性10-4°C密度随温度升高而增大24°C达到最大密度1g/cm³以上34°C密度随温度升高而减小冰的密度漂浮现象冰的密度冰比水轻约8%0°C时约

0.917g/cm³冰晶结构六方晶系，内含空隙密度异常的生态意义水体从表面结冰底部保持液态状态水生生物得以在冬季生存水的比热容定义数值升高1克水1°C所需热量

4.18J/g·°C特点远高于大多数常见物质水的高比热容的影响1温度调节2海洋作用减缓温度变化幅度形成温和型海洋气候3生物意义维持生物体内温度恒定水的热膨胀系数水在低温区域热膨胀系数为负值温度升高后系数增大水的表面张力数值温度影响比较

72.8mN/m（20°C）温度升高，表面张力液体中最高表面张力减小之一表面张力的实际应用水黾行走毛细现象泡沫形成利用表面张力支撑身体水在细管中上升表面活性剂降低表面张力水的黏度黏度定义水的黏度温度影响流体内部阻力20°C时约

1.0mPa·s温度升高黏度降低单位mPa·s较低，流动性好0°C时约

1.8mPa·s水的压缩性低压缩性1几乎不可压缩压缩系数

24.6×10⁻¹⁰Pa⁻¹深海环境3高压下密度变化小水的声速1482m/s1450m/s纯水中声速海水中声速25°C时表层海水典型值343m/s空气中声速比水中低4倍多水的电导率纯水

15.5×10⁻⁶S/m自来水

20.005-

0.05S/m海水3约5S/m水的介电常数数值20°C时约80比较远高于大多数液体影响使水成为优良溶剂水的折射率色散现象彩虹形成原理数值视觉影响20°C时约

1.33水下物体位置偏移水的吸收光谱波长nm吸收率%水在可见光区域透明度高在紫外和红外区域吸收显著水的透明度测量方法纯净水塞氏盘法可见深度达80米影响因素悬浮物、微生物浓度水的蒸汽压温度°C蒸汽压kPa温度升高导致蒸汽压指数增长100°C时蒸汽压等于标准大气压水的汽化潜热1数值2260kJ/kg（100°C）2特点最高汽化潜热液体之一3气候影响调节全球热量分布4生物利用出汗降温机制基础水的融化潜热334kJ/kg2260kJ/kg融化潜热汽化潜热冰转化为水所需能量比融化潜热高近7倍80kJ/kg铁的融化潜热水远高于大多数物质水的凝固点降低纯水10°C，标准凝固点21%NaCl溶液-

0.6°C左右310%NaCl溶液-5°C至-6°C海水4约-

1.9°C水的沸点升高溶质导致沸点升高压力增加导致沸点升高海拔升高导致沸点降低水的渗透压原理生物应用技术应用水分子通过半透膜流动细胞体积调节机制反渗透海水淡化水的毛细作用原理植物运输土壤吸水表面张力和附着力共水分在导管中上升水分在土壤孔隙中移同作用动水的粘附力和内聚力粘附力内聚力平衡效应水分子与其他物质之间的吸引力水分子之间的相互吸引力决定水的浸润性和形状水的溶解性溶质溶剂1被溶解的物质水作为万能溶剂2溶解度溶液43随温度变化均匀混合物水的极性溶剂性质极性物质盐、糖、醇类易溶离子化合物被水分子包围非极性物质油脂、蜡难溶水的氢键形成条件分子间氧-氢-氧连接键能约20kJ/mol，较弱影响特性高沸点、高比热、表面张力水的团聚现象1水分子簇2结构特点3存在时间水分子形成的动态团簇平均4-5个分子形成簇皮秒级快速形成解离水的润湿性亲水表面接触角90°疏水表面接触角90°超疏水表面接触角150°水的渗透性渗透系数达西定律表示水流过介质难易程度描述地下水流动基本规律土壤应用影响灌溉和排水系统设计水的流动性层流雷诺数雷诺数小，流线平行有序Re=ρvd/μ，判断流态湍流雷诺数大，流动混乱水的压力传递帕斯卡定律液压系统静水压力压力各方向等大传递利用不可压缩性传递与深度成正比力水的浮力阿基米德原理1浮力等于排开液体重力浮力计算2F浮=ρ液gV排物体浮沉3取决于密度与浮力平衡水的波动性质波长频率波速相邻波峰间距离单位时间内振动次数与水深相关水的蒸发冷却效应蒸发吸热1每克水蒸发吸收2260J热量温度降低2表面温度显著下降应用实例3出汗降温、冷却塔、蒸发式空调水的超临界状态临界温度临界压力溶解能力反应性应用价值温度374°C、压力

22.1MPa以上兼具液体溶解性和气体流动性水的过冷现象定义1温度低于0°C仍保持液态条件2纯净水、无扰动、缓慢冷却不稳定性3轻微扰动即结晶水的结晶形态雪花霜花冰晶六角形基本结构表面直接凝华形成温度影响晶体形态水的同位素效应重水超重水1D₂O2T₂O熔点

3.82°C，沸点

101.4°C氚代水，放射性3研究应用4生物效应示踪剂、核反应堆减速剂高浓度抑制生物代谢水的磁化现象磁处理水物理变化研究状态通过磁场处理的水氢键结构可能暂时改变效果存在争议，机理不明水的记忆效应概念争议水保留溶质信息的假说主流科学不认可研究态度需基于科学方法验证水的电解现象原理电流使水分解产物氢气和氧气应用氢能源、水处理水的热对流加热上升1底部水体升温密度减小，上浮2下沉冷却43密度增大，下沉表面水体散热水的热传导

0.6W/m·K

2.2W/m·K导热系数冰导热系数20°C液态水0°C固态冰401W/m·K铜导热系数金属远高于水水的热辐射水表面1吸收和发射红外辐射大气中水汽2吸收地表长波辐射温室效应3水汽是主要温室气体水的光学特性水面反射部分光线被反射折射现象改变光线传播方向散射效应悬浮颗粒散射光线水的声学特性声波传播海洋声学生物应用水中声速约1500m/s水下通信和探测基础海洋生物回声定位水的电学特性静电感应电解质溶液水流可产生电荷分离离子传导电流介电特性高介电常数影响电场分布水的物理性质的应用1工业应用2环境保护热交换、冷却、溶剂、反应介质污染物处理、水质监测3能源利用4生活应用水力发电、热能存储净化、烹饪、清洁、保健水的物理性质研究方法散射实验光谱分析中子和X射线散射计算机模拟红外、拉曼和核磁共振分子动力学和量子计算总结与展望热学性质结构特性2高比热容和相变潜热V形结构和极性特性1力学性质3表面张力和流体力学未来方向5电磁性质纳米尺度水分子行为研究4介电特性和低导电性。