Các đặc trưng nhiệt cơ bản của nước biển

a) chuyển động dao động, b) chuyển động sóng, c) chuyển động khố

2.5. Các đặc trưng nhiệt cơ bản của nước biển

Nhiệt dung (riêng) của nước cất khi áp suất không đổi và trong khoảng nhiệt độ từ 19,5 đến 20,5 oC được chấp nhận làm tiêu chuẩn: cal/(g.oC) = 4,19103 J/(kg.oC). Nhiệt dung của nước biển phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối, ngoài ra khi các đặc trưng này tăng lên thì nhiệt dung giảm (bảng 2.3) đến 37,5 %o, sau đó bắt đầu tăng lên.

1



p c

Nhiệt dung của nước lớn hơn nhiệt dung của phần lớn các chất. Tình

hình này có vai trò hàng đầu đối với sự hình thành các điều kiện khí hậu trên Trái Đất. Có thể phân tích vai trò của nhiệt dung lớn của đại dương thông qua thí dụ sau đây.

Bảng 2.3. Nhiệt dung riêng của nước biển dưới áp suất khí quyển, 103 J /

(kg.oC) Độ muối (%o) Nhiệt độ (oC) 0 10 20 30 40 0 4,228 4,094 4,018 3,968 3,918 10 4,198 4,064 3,993 3,943 3,893 20 4,186 4,052 3,980 3,930 3,880 30 4,182 4,048 3,976 3,926 3,876

Khi mặt đại dương ấm hơn không khí bên trên nó, thì không khí được sưởi nóng do tiếp xúc với mặt đại dương. Ta sẽ tính xem một thể tích nước khi nguội đi 1oC sẽ sưởi nóng được bao nhiêu thể tích không khí. Theo định luật bảo toàn năng lượng có thể viết quan hệ sau:

khÝ n−íc ( ) )

(Vcp  Vcp ,

trong đó ở vế trái là mật độ, thể tích và nhiệt dung của nước, còn vế phải là những đại lượng tương tự của không khí. Thế các giá trị tương ứng vào biểu thức này 3 n−íc 1,0310  kg/m3, 3 kg/m3, khÝ 0,001310  3 10 992 , 0   khÝ p c J/(kg.oC),

ta nhận được rằng khi lạnh đi 1 oC một đơn vị thể tích nước sẽ sưởi nóng gần 3200 thể tích không khí lên 1 oC. Điều này chứng tỏ rằng khi lạnh đi đại dương sẽ truyền vào khí quyển một lượng nhiệt to lớn, bằng cách đó làm ôn hòa khí hậu trên một phần rộng lớn bề mặt trái đất.

Nhiệt dung riêng của nước khi thể tích không đổi luôn nhỏ hơn và có thể được xác định theo giá trị trên cơ sở các tiên đề thứ nhất và thứ

v

c cp

p c

hai của nhiệt động lực học và phương trình trạng thái. Trong các tính toán, thường không phải giá trị tuyệt đối của là quan trọng, mà chính là tỉ số

, thí dụ, đại lượng này được dùng khi tính tốc độ âm trong nước.

v c v p c c /  

Đối với nước cất ở nhiệt độ mật độ lớn nhất của nó (4 oC) và áp suất khí quyển tiêu chuẩn  1. Đối với nước biển với độ muối 34,85 %o  tăng từ 1,0004 tại 0 oC tới 1,0297 tại 30 oC. Khi áp suất tăng  sẽ tăng. Thí dụ, tại 0

oC và áp suất 100 dba  1,009, tại áp suất P10000 dba và nhiệt độ

oC

0



T  1,0125.

Độ dẫn nhiệt. Trong vật lý học độ dẫn nhiệt được hiểu là lượng nhiệt được mang qua một diện tích đơn vị vuông góc với hướng của građien nhiệt độ trong một đơn vị thời gian, khi građien nhiệt độ bằng 1. Độ dẫn nhiệt được đặc trưng hoặc bằng hệ số dẫn nhiệt phân tử , khi sự truyền nhiệt được thực hiện bởi các phân tử nước trong chuyển động hỗn loạn của chúng, hoặc bằng hệ số dẫn nhiệt rối, khi sự truyền nhiệt diễn do chuyển động cuộn xoáy trong nước. Hệ số dẫn nhiệt rối phụ thuộc không chỉ vào những tính chất vật lý của nước biển, mà ở mức độ đáng kể hơn vào những đặc trưng động lực học: tốc độ, qui mô rối, độ ổn định của các lớp nước v.v...

Sự dẫn nhiệt phân tử trong đại dương biểu lộ trong những trường hợp khi nước bất động hay khi quan trắc thấy sự chuyển động phân lớp của các phần tử nước. Đối với đại dương thì chuyển động rối là đặc trưng. Trong đó hệ số dẫn nhiệt rối biến đổi trong những giới hạn rất rộng và có thể vượt trội hệ số dẫn nhiệt phân tử một số bậc.

Độ dẫn nhiệt liên quan với độ dẫn nhiệt độ của nước biển. Độ dẫn nhiệt độ đặc trưng cho tốc độ vận chuyển nhiệt. Nó có thứ nguyên m2/s và được xác định từ tỉ số giữa hệ số dẫn nhiệt của nước và nhiệt dung khi áp suất không đổi cp và mật độ . Hệ số dẫn nhiệt độ phụ thuộc yếu vào nhiệt độ.

Nhiệt lượng bốc hơi (ngưng tụ). Nhiệt lượng bốc hơi được xác định

bằng lượng nhiệt chi phí cho bốc hơi 1 kg nước thành hơi nước có cùng nhiệt độ. Lượng nhiệt cũng bằng ngần ấy, được tỏa ra khi ngưng tụ 1 kg hơi nước, gọi là nhiệt lượng ngưng tụ. Vì các giá trị nhiệt lượng bốc hơi của nước biển và nước cất rất ít khác nhau, nên trong các tính toán thực tế người ta sử dụng công thức sau:

T

L24952,33467 (kJ/kg).

Nhiệt lượng đóng băng (nóng chảy). Nhiệt lượng đóng băng (tinh thể hóa) được xác định bằng lượng nhiệt tỏa ra khi chuyển một gam nước thành băng có cùng nhiệt độ. Nhiệt lượng nóng chảy (tan băng) là lượng nhiệt bị chi phí khi chuyển một gam băng thành nước có cùng nhiệt độ. Hai đại lượng này bằng nhau. Đối với nước ngọt tại 0 oC nhiệt lượng đóng băng (nóng chảy) bằng 79,67 cal/g, hay 333,56 kJ/kg.

Đối với nước biển, sự tan băng diễn ra trong khi nhiệt độ liên tục tăng, vì vậy chúng ta không nên nói về nhiệt lượng nóng chảy, mà về lượng nhiệt cần thiết để làm tan 1 kg băng biển với nhiệt độ ban đầu t. Lượng nhiệt này được chi phí để làm nóng chảy lượng băng tinh khiết chứa trong 1 kg băng biển và đồng thời làm tăng nhiệt độ băng tinh khiết và nước muối tạo thành trong khi tan băng. Trong bảng 2.4 dẫn những giá trị ước lượng về lượng nhiệt cần thiết để làm tan 1 kg băng biển tùy thuộc vào nhiệt độ và độ muối của nó.

Bảng 2.4. Lượng nhiệt cần thiết để làm tan 1 kg băng biển

với nhiệt độ T và độ muối (J/kg) S Độ muối (%o) Nhiệt độ (oC) 0 4 10 15 -1 334,9 268,0 159,1 71,2 -5 347,5 326,6 301,4 280,5 -10 355,9 355,9 330,8 318,2