Оглавление

     Введение 3

     Глава I 6

     1. Строение молекулы воды 6

     2. Физические свойства воды 8

     2.1. Аномалия плотности 9

     2.2. Переохлажденная вода 10

     3. Структура и формы льда 11

     4. Образование и месторождения льда 14

     5. Плавление. Удельная теплота плавления 15

     Глава II 20

     1. Постановка задачи для описания процессов тепломассопереноса 20

     2. Основные уравнения для ближней и промежуточной областей 21

     3. Условия на фронтальных границах 24

     4. Переход к автомодельным переменным 26

     5. Результаты расчетов 28

     Заключение 29

     Список использованной литературы 30

Введение

     Почти ¾  поверхности нашей планеты  занято океанами и морями. Твёрдой  водой – снегом и льдом –  покрыто 20% суши. Из общего количества воды на Земле,  равного 1 млрд. 386 млн. кубических километров, 1 млрд. 338 млн. кубических километров  приходится на долю солёных  вод Мирового океана, и только  35 млн. кубических километров приходится на долю пресных вод. Всего количества океанической воды хватило бы на то, чтобы покрыть ею земной шар  слоем  более 2,5 километров. На каждого жителя Земли  приблизительно приходится 0,33 кубических километров морской воды и 0,008 кубических километров пресной  воды. Но трудность в том, что подавляющая  часть пресной воды на Земле находится  в таком состоянии, которое делает её труднодоступной для человека. Почти 70% пресных вод заключено  в ледниковых  покровах полярных стран и в горных ледниках, 30% - в водоносных слоях под землёй, а в руслах всех рек содержатся одновременно всего лишь 0,006% пресных  вод.

     Ледники и ледовые щиты покрывают около 10% поверхности всей планеты. Морские  плавучие льды занимают 11 миллионов  квадратных километров площади поверхности  Земли и сосредоточены вокруг полюсов планеты. 

     Много воды содержится в ледниках. Самые крупные из них находятся на островах Северного Ледовитого океана и горных породах массивах Сибири. Над северными морями количество осадков уменьшается в восточном направлении. Поэтому к востоку уменьшается также количество ледников, их площадь и объем. Крупные материковые ледники находятся на Земле Франца-Иосифа и Новой Земле. Их меньше на Северной Земле и Новосибирских островах, а также острове Врангеля. Наибольшее хозяйственное значение имеют горные ледники. Эти относительно небольшие ледники питают такие реки, как Кубань, Терек, верховье Оби, Енисея. Общие запасы воды в ледниках оцениваются в более 15 км³.Всего в России насчитывается более 60 тысяч км² ледниковых систем, объем льда в которых составляет почти 18 тысяч км³.

     Актуальность  темы:

     Проблеме  современных климатических изменений  и прогнозу климата на ближайшие  десятилетия в настоящее время  уделяется повышенное внимание. Это  связано с продолжающимся повышением температуры воздуха у поверхности  Земли. Следствием этого являются повсеместно  участившиеся аномалии погоды и рост уровня мирового океана. Последнее  происходит как из-за теплового расширения нагретых водных масс, так и благодаря  усилению таяния ледников и ледниковых покровов. Существенное увеличение темпов сокращения ледников отмечается практически  во всех районах земного шара.

     Цель  работы:

     Исследование  особенностей плавления льда.

     Задачи:

• получение автомодельных аналитических решений для ближней и промежуточной зоны;
• проведение расчетов распределения давления, температуры и льдонасыщенности для ближней и промежуточной зон при инжекции теплой воды в пористый пласт
• анализ влияний величины внешнего воздействия и параметров среды на распределение температуры, давления и льдонасыщенности.

 

      Методология и методы:

     Методологическую основу исследования составляют основные физико-химические и геологические свойства.

     Метод исследования:

     Теоретические (анализ, синтез, обобщение), численные методы

     Этапы исследования:

• констатирование: изучение научной литературы;
• моделирование: построение модели на основе теоретических знаний;
• эксперимент: определение условий эксперимента;
• контроль: подвергание построенной модели дополнительной проверке;
• итоги: формулировка выводов, обоснование результатов.

     Структура:

     Данная  работа состоит из введения, двух глав и заключения

Глава I

Физические  свойства воды и льда

Строение  молекулы воды

     Молекула  воды состоит из двух атомов водорода (Н) и одного атома кислорода (О). Все  многообразие свойств воды и необычность  их проявления, в конечном счете, определяются физической природой этих атомов и способом их объединения в молекулу. В отдельной молекуле воды ядра водорода и кислорода расположены так относительно друг друга, что образуют как бы равнобедренный треугольник со сравнительно крупным ядром кислорода на вершине и двумя мелкими ядрами водорода у основания. В молекуле воды имеются четыре полюса зарядов: два отрицательных за счет избытка электронной плотности у кислородных пар электронов и два положительных - вследствие недостатка электронной плотности у ядер водорода - протонов. Такая ассиметричность распределения электрических зарядов воды обладает ярко выраженными полярными свойствами; она является диполем с высоким дипольным моментом -1,87 дебай.

     Благодаря этому молекулы воды стремятся нейтрализовать электрическое поле. Под воздействием диполей воды на поверхности погруженных в нее веществ межатомные и межмолекулярные силы ослабевают в 80 раз. Столь высокая диэлектическая проницаемость из всех известных веществ присуща только воде. Этим объясняется ее способность быть универсальным растворителем.

     Помогая контактирующим с ней молекулам разлагаться на ионы (например, солям кислот), сама вода проявляет большую устойчивость. Из 1 млрд. молекул воды диссоциированными при обычной температуре оказываются лишь две, при этом протон не сохраняется в свободном состоянии, а вероятнее всего входит в состав иона гидроксония. Гидроксоний (Н₃О⁺) - это гидратированный ион водорода; существует в водных растворах кислот.

     Вода  химически не изменяется под действиям большинства тех соединений, которые она растворяет, и не изменяет их. Это характеризует ее инертным растворителем, что важно для живых организмов на нашей планете, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно устойчивом виде. Как растворитель вода многократно используется, неся в своей структуре память о ранее растворенных в ней веществах. Молекулы в объеме воды сближаются противоположными зарядами, возникают межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода и неподеленными электронами кислорода, насыщая электронную недостаточность водорода одной молекулы воды и фиксируя его по отношению к кислороду другой молекулы. Тетраэдрическая направленность водородного облака позволяет образовать четыре водородные связи для каждой водной молекулы, которая благодаря этому может ассоциировать с четырьмя соседними. В такой модели углы между каждой парой линий, соединяющих центр (атом О) с вершинами, равны 109,5.

     

      
 

     Рис 1. Межмолекулярные водородные связи между ядрами водорода

     Водородные  связи в несколько раз слабее ковалентных связей, объединяющих атомы  кислорода и водорода. Микромолекулярная структура воды с большим количеством полостей позволяет ей, разрывая водородные связи, присоединять молекулы или части молекул других веществ, способствуя их растворению. Сравнивая воду - гидрид кислорода с гидридами элементов, входящих в одну с кислородом подгруппу периодической системы Д.И. Менделеева, следовало бы ожидать, что вода должна кипеть при - 70 ^оС, а замерзать при - 90 ^оС. Но в обычных условиях вода замерзает при Такое резкое отклонение от установленной закономерности как раз и объясняется тем, что вода является ассоциированной жидкостью. Ассоциированность ее сказывается и на очень высокой теплоте парообразования. Так, для того чтобы испарить 1 г воды, нагретой до 100 ^оС, требуется в шестеро больше тепла, чем для нагрева такого же количества воды от 0 до 80 ^оС. Благодаря этому вода является мощнейшим энергоносителем на нашей планете. По сравнению с другими веществами, она способна воспринимать гораздо больше тепла, существенно не нагреваясь. Вода выступает как бы регулятором температуры, сглаживая благодаря своей большой теплоемкости резкие температурные колебания. В интервале от 0 до 37 ^оС теплоемкость ее падает и только после 37 ^оС начинает повышаться. Минимум теплоемкости воды соответствует температуре 36 - 39 ^оС - нормальной температуре человеческого тела. Благодаря этому возможна жизнь теплокровных животных, в том числе и человека.  0 ^оС и закипает при 100 ^оС.

2. Физические свойства воды

     Чистая  вода представляет собой бесцветную  без вкуса запаха прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает.

     Как хорошо известно, вода принята за образец  меры – эталон для всех  других веществ. Казалось бы, за эталон для  физических констант следовало бы выбрать  такое вещество, которое ведет  себя самым нормальным, обычным образом. А получилось как раз наоборот.

     И первое, самое поразительное, свойство воды заключается в том, что вода принадлежит к единственному  веществу на нашей планете, которое  в обычных условиях температуры и давления может находиться в трех фазах: в твердой, жидкой и газообразной.

2.1. Аномалия плотности

            Всем известна аномалия плотности.  Она двоякая. Во-первых, после  таяния льда плотность увеличивается,  проходит через максимум при  4^оС и только затем уменьшается с ростом температуры. В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с температурой. И это понятно. Чем больше температура, тем больше тепловая скорость молекул, тем сильнее они расталкивают друг друга, приводя к большей рыхлости вещества. Разумеется, и в воде повышение температуры увеличивает тепловую скорость молекул, но почему-то это приводит в ней к понижению плотности только при высоких температурах.

          Вторая аномалия плотности состоит  в том, что плотность воды  больше плотности льда (благодаря  этому лед плавает на поверхности  воды, вода в реках зимой не  вымерзает до дна и т.д.). Обычно  же при плавлении плотность  жидкости оказывается меньше, чем  у кристалла. Это тоже имеет  простое физическое объяснение. В кристаллах молекулы расположены  регулярно, обладают пространственной  периодичностью - это свойство кристаллов  всех веществ. Но у обычных  веществ молекулы в кристаллах, кроме того, плотно упакованы.  После плавления кристалла регулярность  в расположении молекул исчезает, и это возможно только при  более рыхлой упаковке молекул,  то есть плавление обычно сопровождается  уменьшением плотности вещества. Такого рода уменьшение плотности  очень мало: например, при плавлении  металлов она уменьшается на 2 - 4%. А плотность воды превышает  плотность льда сразу на 10%. То  есть скачок плотности при  плавлении льда аномален не  только по знаку, но и по  величине.