第一讲 水的来源00.ppt

1、水与人类生存 主讲教师:肖益民 水电学院水文水资源系,课程内容: 一、水的起源与水的性质 二、水循环与水量平衡 三、漫谈几种水体 四、自来水与饮水科学 五、作为资源的水 六、洪灾与旱灾 七、人与水、水与人 八、总结与测验,基本要求 1、按时上课，有事请假 2、课堂积极参与讨论，课后查阅资料 3、开卷考试,3月22日为世界水日，3月223月28日中国水周 2011年世界水日宣传主题：城市用水：应对都市化挑战 (Water for cities:responding to the urban challenge),2011年中国水周宣传主题： 严格管理水资源，推进水利新跨越,第一讲 水的起源与水的

2、性质,一、水的起源和形成过程 二、水的物、化性质,地球是一个蔚蓝色的大球体，水是地球表面数 量最多的物质，它覆盖了地球70%以上的表面。 这么多水从哪来?地球形成之初本身有水吗？,一、水的起源 地球刚诞生时，没有河流、海洋，更没有生 命，它的表面是干燥的，大气层中也很少有水分。 现在自然界各种水体中的水从何而来？,第一节 水的起源和形成过程,地球上的水究竟来自何方呢?这个令人费解的问题从古至今，吸引着无数中外智者的兴趣。 大多数学者认为，地球上水的起源与地球本身的起源密切相关。但是，到底地球上的水是怎么来的，现在有许多假说，例如凯萨廖夫等人提出的全球大洋水体来源的假说达32种之多。,荷兰的天文

3、学家奥特认为，地球上水的主要来源是我们这颗行星的内部的岩石圈和上地幔。这些岩 石在一定的温度和适宜的条件下（如火山爆发） 脱水，从而形成了地球的水。,也有人认为岩石在熔化中完全混合时，含有硅酸盐75% ，含水2%。在地球形成初期，火山爆发频繁，从而加快了地球水的形成。,主张地球上的水是自生的人认为:,全部假说可大致分为两类:一类是自生的，一类是外来的。,水是在玄武岩先熔化后冷却形成原始地壳的时候产生的。,最初地球是一个冰冷的球体。此后，由于存在 地球内部的铀、钍等放射性元素开始衰变，释放出 热能。因此地球内部的物质也开始熔化，高熔点的 物质下沉，易熔化的物质上升，从中分离出易挥发 的物质：氮、

4、氧、碳水化合物、硫和大量水蒸气。 试验证明当1 m3花岗岩熔化时，可以释放出26 L 的水和许多完全可挥发的化合物。,地下深处的岩浆中含有丰富的水，岩浆可以溶 解30%的水。 火山口处的岩浆平均含水6%，有的可达12%， 而且越往地球深处含水量越高。 据此，有人根据地球深处岩浆的数量推测在地 球存在的45亿年内，深部岩浆释放的水量可达现 代全球大洋水的一半。,由于地球内部的高温，地球的水还在增加，在研究中，有资料表明，大洋面近年内上升了。,水流到地球的表面与蒸汽和气体一起逸入大气 圈，仿佛现在火山喷发时所发生的事件一样。 当时，约30亿年前的火山活动比现在强烈、普 通而频繁。因此，地球形成之日

5、起，在地球内部、 表层都可以产生水。,从现代火山活动情况看，几乎每次火山喷发都 有约75%以上的水汽喷出。 1906年维苏威火山喷发的纯水蒸气柱高达 13000米，一直喷发了20个h。 阿拉斯加卡特迈火山区的万烟谷，有成千上 万个天然水蒸气喷出孔，平均每秒种可喷出 976450C的水蒸汽和热水约23000m3。,隆起形成山峰，下 陷变成山谷，火山喷出大量气体,岩浆活动异常激烈，火山喷发频繁,大气中的水蒸汽逐步增多，饱和后冷却成 云，变成雨落在地上，形成了江河湖海。,主张地球上的水是外来的人认为: 地球形成的时候，就从宇宙俘获了大量的水，以后逐渐释放并留存下来。,水是宇宙物质，当宇宙中的尘埃云凝

6、聚成地球 时，它们同时也被封存在地球的原始物质球粒陨 石中。,组成原始地球的固体尘埃，实际上是衰老了的星球爆炸而成的大量碎片，这些碎片多是无机盐之类的东西，在其内部蕴藏了许多水分子，即所谓的结晶水合物。,由于当时地球温度很高，原始物质均处在熔融 状态；地球自转速度也很快(35亿年前，地球自转 的速度约为现在的6倍，那时地球上的一天一夜只 有4h)。 地球转动产生的重力离心分力，使重物质下沉，轻物质上浮。活动性最强而又是最轻物质之一的水，便移向地球外壳。,含在岩浆中的水,也随着以后岩浆的逐渐凝固被排挤出来。这些被挤压出来的水，呈水汽状态，在高空凝结为云，飘浮在地球上空。 随着时间的推移，大气中水

7、汽在增多，而地表的温度却在降低。,大概在太古代初期，当地表温度降至水的沸点以下时，水汽就化作倾盆大雨降落到地表。 据估计，大约在6亿年前，地表温度降低到30左右时，岩浆中挤出来的水，大约有99都降落到地面，从而形成地球表面的水，构成江河湖海。,地球是由太阳星云分化出来的星际物质聚合 而成的，其基本组成有氢气、氮气及一些尘埃。 固体尘埃聚集结合形成地球的内核，外面围绕着 大量气体。地壳不断发生变动，有的地方下陷形 成低地与山谷，有的地方隆起形成山峰，同时喷 发出大量的气体。,由于地球体积不断缩小，引力随之增加，这 些气体已无法摆脱地球的引力，从而围绕着地球，构成了“原始地球大气”，原始大气由多种

8、成分组成，水蒸汽是其中之一。,喷到空中的水蒸气达到饱和时就冷却成云，变成 雨，落到地面上，聚集在低洼出，逐渐积累成湖泊 和河流，最终汇集到地表最低区域形成海洋。 水在开始形成时，不论湖泊或海洋，水量不多， 随着地球内部产生的水蒸气不断地被送入大气层， 地面水量不断增多，经历几十亿年的地球演变过程， 最后终于形成了现在所见的江河湖海。,第二节水的结构和构成,一、水的构成 水是含有两个氢原子和一个氧原子的分子化合物。氢有三种天然存在的同位素1H,2H(D),3H(T)。 氧有六种同位素(14O,15O,16O,17O,18O,19O)。 天然存在的水绝大部分都是1H216O。,1,2,重水,二、水

9、的分子结构,氢和氧原子组合成水分子。每个分子的一端都 有弱电荷。氧的一端带弱负电荷，氢的一端带弱 正电荷。2端各显相反电性的分子叫极性分子，水 由极性分子构成，是极性物质。,水分子通过正、负静电引力与附近的四个水分子以氢键相联系。,氢键使水分子发生缔合，缔合的水减弱了水分子的极性，传递离子的能力也降低，故长期静置的水缔合程度大，“活性”严重丧失而成为“死水”。,在加热、磁场等作用下，水分子间的氢键将被程度不同地破坏，从而降低了缔合度而活化。 因此，物质一般在热水中溶解度大；热水洗涤效果好等，都与水的缔合度降低有关。,三、水的相态 自然界中水有三种相态即液态、气态和固态。,（一）液态水 液态的水

10、通常不是以单个水分子的形式存在，而是通过氢键产生缔合分子。,水的缔合是放热过程，水的离解则是吸热过程。所以温度升高，水的缔合程度的下降，即 (H2O)x的x 值减小；温度降低，水的缔合度增大，即(H2O)x的x值增大。 在高温时，水主要以单分子状态存在，水变为水汽；在低温时(273.15 K以下)水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。,冰融化成水或水变为水汽，都首先需要外界 环境供给能量来破坏这些氢键。 固态水（冰）融化成液态水或液态水转变为气态水（水汽）时需要吸收外界的热量。当然，水在反向转化时会释放出同样的热量。,3,（三）固态水 固态水（冰）中的每一个水分子都被相邻的四个水分 子包

11、围，每个水分子位于变形四面体的顶点，冰是由无数 个这样的四面体通过氢键互相连结成一个庞大的晶体的。 由于氢键的方向性要求，水分子不能做到紧密堆积， 所以冰的晶体具有较大的空隙，即水结成冰后，体积增大，密度会比液态水减小，所以冰可以浮在水面之上。但是当 压力达到2.0265108 个大气压时，它的密度又会变得比 水大，在水中下沉到水底。,水的冰点（冻结温度）和沸点会随着压力的变化而变化。当压力大于599.949Pa时，水的冰点降低，但是沸点升高。 这种性质使水呈现液态的范围变大，使大洋深处的水不会冻结，同时使高压下的液态水不容易被蒸发。,三、水的相态 自然界中水有三种相态即液态、气态和固态。,（

12、一）液态水 液态的水通常不是以单个水分子的形式存在，而是通过氢键产生缔合分子。即,水的缔合是放热过程，水的离解则是吸热过程。所以温度升高，水的缔合程度的下降，即 (H2O)x的x 值减小；温度降低，水的缔合度增大，即(H2O)x的x值增大。 在高温时，水主要以单分子状态存在，水变为水汽；在低温时(273.15 K以下)水结成冰，全部水分子缔合成一个巨大缔合分子。,（二）气态水 气态水绝大多数以单分子形态存在，所以其在常温常压下密度很小。 一般，随着压力的增加，水的汽液两态转化的温度逐渐升高，即压力增加，水汽化的温度也随之增加； 但当水汽的温度达到 374.2时，无论压力有多大，都不会使气态水转

13、化为液态水，该温度称作水的临界温度。 所以气态水的密度在温度很高、压力足够大时会大于常温常压下的液态水的密度。,冰融化成水或水变为水汽，都首先需要外界 环境供给能量来破坏这些氢键。这就是为什么固态水（冰）融化成液态水或液态水转变为气态水（水汽）时需要吸收外界的热量的缘故。当然，水在反向转化时会释放出同样的热量。,第三节 水的物理性质,一、水的密度 物质单位体积的质量称作密度，而单位体积的重量称作重度。 对一般物质来说，密度都随温度的增加而降低。因为温度越高，分子间的距离就越大。但水的密度与温度的关系是反常的：在常压下4C时密度最大。,无杂质的纯水，在0时密度为0.99987kgL，在4 时密度

14、最大，为1kgL。 当温度大于或小于4时，水的密度将减小。水自液体状态变为固体状态，其密度要发生突变。,大多数物质由液态凝固而变成固态时，其密度会随之增高。但水却相反，其结冰（冻结）时，反而密度减小。,在正常大气压下，水结冰时，体积会突然增大 11%左右；与此相对应，冰融化时体积又会突然变 小。在1个标准大气压条件下，纯净的水的密度和 重度随温度变化。,更多氢键破裂，结构进一步分崩离析，密度进一步增大； 体系温度继续升高，水分子动能增加、振动加剧，而每一分子占据更大体积空间，所以这一因素又使水密度趋于减小。这就是为什么水在1个大气压下4或精确地说应该是3.98 时 密度为最大的原因。,当冰开始

15、融化成水时，冰的氢键结构中的氢 键断裂，晶体结构崩溃，体积缩小而密度增大。 如果有更多热能输入体系，将引起：,二、水的热性质 （一）比热,一定质量的物质，在不发生化学反应和相变的情况下，温度每升高1 所吸收的热量称为该物质的热容量或热容。 单位物质的热容称为比热容，简称比热。,不同的物质增加相同的温度，比热越大的物质 吸收的热量越多。 水的比热在所有液体和固体物质中是最大的为 4.186J/(K.g)(或1cal/g) ，而冰和水汽的比热约 减为液态水的一半。 所以水被大量地用作工业冷却介质或加热介质。,水的热容量比大多数物质的热容量都大(只有 氢、铝等的热容量比水大)。 例如，土和砂之类的物

16、质，热容量为0.84J/g， 铁和铜等金属仅为0.42J/g， 酒精和甘油为1.26J/g， 铂为0.12J/g， 木料为0.6 J/g 。,这种水与土之间热容量的巨大的差异，反映在气候学上，就是海洋性气候比大陆性气候升温慢，降温亦慢，变幅较小的现象。,除汞和液态水外，一切物质的单位热容量都随温度的升高而增加。 在035，水的单位热容量随温度升高而降低， 在35以后，水的热容量则随温度的升高而增加。 水的热容量和水的密度一样，与温度的关系不是直线，而是曲线关系。,水的高比热是由于水能形成分子间氢键所引起的。因为温度的升高是由于分子运动加剧的结果，而若要使水分子运动加剧，不但要提供能量去克服分子

17、间范德华力的束缚，还要提供额外的能力去克服分子间氢键的束缚。,（二）传热性 水的传热性很差。在常压下20时，液态水的热导率为0.006J/(s.cm. ) ；冰的热导率 0.0226 J/(s.cm. ) ；雪的热导率与其密度有关，当雪的密度为100kg/m3时，其 热导率为0.00029J /(s.cm. ) 。,即当温度的梯度在1cm深变化为1时，顺着温度梯度，在1s内通过1cm2面积的热量,因此，冬天植被覆盖一层厚厚的雪，会很好地抵御寒冷的侵袭，使其免遭冻害。也由于这一特性，天然水体封冻时冰体增厚的速度很缓慢，即使在水面长期封冻时，河流深处仍然可能呈现液体，因而对水下生命具有重要意义。水

18、的这一特性对指导农业灌溉也有意义，如进行冬灌能提高地温，防止越冬作物受大气低温的冻害。,（三）蒸发热（汽化热） 水从液态转变为气态的过程叫做汽化，水表面的汽化现象叫做蒸发。水的蒸发需要消耗热量，是个吸热过程，单位质量液态水蒸发为气态水所需要的热量称作蒸发热，也叫汽化热。水的汽化热随着温度升高而降低，,液态水的汽化和水汽的凝结都是一个动态过程，当双方达到平衡时，宏观的汽化现象即停止。此时液态水的压强称为饱和蒸气压强，或称作汽化压强。水的汽化压强于温度有关，不同温度条件下水的汽化压强见表 。,4,（四）冰（固态水）的融解热 单位质量的冰在融点时(0 时，)完全融解为同温度的液态水所需的热量，叫做冰

19、的融解热。 在0 和1个标准大气压下，冰的融解热为6.0025kJ/mol。冰可以直接转化为水汽，称 之为升华。水的升华需要热量，是蒸发热和融 解热之和。,三、水的粘滞性 水是具有粘滞性的。当水处在运动状态时，若水质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为水的粘滞性，此内摩擦力又称为粘滞力。粘滞性是水的基本性质之一，只有在相对运动时才显示出来，静止状态不显示粘滞性。,水是一种理想的牛顿流体，符合牛顿内摩擦力定律，即内摩擦力大小与水的性质有关，并与流速梯度及接触面积成正比，而与接触面上的正压力无关。即,表面张力是水以及固体的边界分子联结、“集合”、缩小体积(内聚力

20、)的一种能力。 水的表面分子凝聚形成张力膜，若要破坏张力膜需要相当大的力。,四、水的表面张力,所有液体都有力图缩小其表面的趋势，这是由表面张力的作用造成的。 表面张力仅在液体与其他介质（如气体或固体）分界面附近的液体表面产生，液体内部并不存在，所以它是一种局部受力现象。,由于表面张力很小，一般说来对液体的宏观运动不起作用，可以忽略不计，只有在某些特殊情况下，才显示其影响，比如毛细作用。,由于表面张力所表现出的水的毛细作用 ，在自然界的威力是巨大的：地下水的蒸发、土壤水的增减（补给排泄）、大气降水对地下水的补给、植物的水分补给等等无不与之有关。,5,6,五、水的弹性及压缩性 压强增高时，分子间的距离减小，液体宏观体积减小，这种性质称为液体的压缩性。 因为在压力释放时，被压缩的水的体积会相应的增加，所以水的压缩性也叫做水的弹性。在压强不大的条件下，水的压缩性可以忽略，相应水的密度和重度可视为常数。,只有当压强变化很大而又非常迅速时，才考 虑压缩性。如输水管路中的水击现象，就必须考 虑水的压缩性，否则，将会导致错误的结果。 一般情况下，水看作是不可