Акустические явления в воде. Ультразвук и его применение в гидрологии.

Акустика – учение о звуке. Звук-колебательное движение частиц упругой среды, распостр-ся в виде волн. В газах и жидк распр – продольное. В тв- прод+поперечн. Движение волн описывается волновым уравнением. . P-звуковое давление, τ-время; c-скорость звука (ск распр звук-й волны), Звуковое давление –разность между мгновенным значением давления в точке среды при прохождении через неё звук-й волны и статич давлением до появления зв волны в той же точке: p=p_a-p_c. При этом происходит сжатие/расширение воды в этой точке. В газах: с_г=корень (p_с/ρ c_p/c_v), c_p,c_v –уд теплоёмкости при пост давлении и объёме. В жидкостях: с_ж=корень(1/ρ β), β-коэф объёмного сжатия= - 1/V dV/dP. В тв телах: с_т=корень((E/ρ (1-υ)/((1+ υ)(1-2 υ))). E-модуль упругости, υ-коэф Пуассона. На практике прим эмпирическая формула с=1410+4.2 t-0.037t² +1,1S+0.00018H. t-темп, S-солёность, H-глубина. Если звуковая волна достигает пов-ти раздела со ц2 средой, имеющей иные физ параметры, то часть зв волны отразится от этой пов-ти, а др часть пройдёт, преломившись. Законы аналогичны световым. Эф-ть отражения зависит от угла пардения и опр коэф отражения α_отр.1). Волна проходит нормально к границе. Поток зв-й энергии, отражённый от границы I’₁= α_отр I₁=I₁((ρ1c1- ρ2c2)/( ρ1c1+ ρ2c2))² , ρc-уд сопр среды. Поток зв энергии, прошедший во 2ю среду I2= α_пр I₁=4I₁((ρ1c1)(ρ2c2))/(( ρ1c1+ ρ2c2)²). α_пр –коэф проникновения зв энергии. Закон поглощения зв энергии I=I₀exp(-2αx), I-поток зв эн, прошедший раст x, I₀ – исходный поток зв энергии, α-коэф поглощ звука. Зв эн поглощается в воде в 1000 раз меньше, чем в возд \\\\ Частота, слыш-я челом 16-20000 Гц, инфразвуки-до 16, ультразвуки от 20000 до 10⁹ Ультразвук-высокая част колебаний, малая длина волны,хорошо поддаётся фокусировке. Применяется в биологии, медицине, военном деле, при сварке труб, очищают мелкие детали часов. В гидрологии 1). Измерение скорости течения (расхода) жидкости основывается на измерении скорости распростр ультразвуковой волны и движущ жидкости между 2 преобразователями, уст-ми по потоку на расстоянии L друг от друга. v=0.5L*(τ2-τ1)/(τ1τ2), τ1,2-время прохождения звука от 1 к 2 в прямом и обратном направлении. 2) Измерение глубин (эхолотирование) основано на использовании свойств ультразвуковых волн (УВ) отражаться от границы раздела двух сред. Дно водоёма-хорошая отражат пов-ть. УВ излучаются в воду, отразившись от дна или препядствия, возвращаюся к приёмнику. Глубина H=с_ж τ/2, τ-время прохождения УВ от излучателя до дна и от дна до приёмника. 3). Можно опр толщину льда, уровни воды (аналогично эхолоту); t воды и тв тела, вязкость ж, концентрацию раств-го вещ-ва.

р

32. Оптические свойства и явления в воде. Вода озёр, рек, водохр состоит из чистой воды, раствор-х веществ и взвесей. Оптические св-ва сильно зависят от этих составляющих. Состав раств-х в-в и взвесей (совокупность мелких частиц твердого вещества в жидкости или газе)- неорганические соли (Na,K,Mg,Cl,SO4) органич соединения (планктон, бактерии, пыльца), минеральные частицы и др. Часть видимых лучей солнечной радиации отражается от водной пов-ти в окр среду, а др часть, преломляясь, уходит в воду. Показатель преломления зависит от ρ среды. Альбедо – показатель отражательной способности. Естественный свет, распрострающ в воде, ослабляется по закону Багера-Ламберта E_z=E₀ exp(-α z) (закон уменьшения звуковой энергии с глубиной). E_z-облучённость (освещённость) на глубине z, E₀-облучённость прямо под пов-ю, α= χ+pσ-показатель вертикального ослабления облучённость (ослабление света), χ-показатель поглощения солнечн энергии, σ-пок-ль рассеяния солн энергии, р-коэф, хар состав воды. По закону Релея σ=32π³(n-1)²/(3λ⁴N), n-пок-ль преломления среды, N-число частиц в 1 см3, λ-длина волны света. Из закона известно, что осн влияние на рассеяние света в воде оказывает взвесь => σ убывает с глубиной. χ= χ₀ exp(-μ₀(λ-λ₀)), χ₀ –пок-ль поглощения при фиксированной длине волны λ_0, μ₀-коэф, зависящ от концентрации раствор-го вещ-ва. => χ зависит от концентрации раст в-ва и длины волны. С ростом концентрации в-ва χ ув-ся, с ростом длины уменьшается. Чем выше концентрация взвешанных частиц, тем сильнее поглощение уф-х и видимых лучей. Прозрачность воды – её св-во пропускать в глубь водоёма видимые лучи. Хаар-ки: 1) глубина видимости – глубина исчезновения белого диска «диска Секки». Диск d=0.3м, опущенный в воду. Наблюдение за глубиной видимости рекомендуется осущ с теневой стороны и в штиль, чтобы исключить влияние волнения воды и отражения исходящ и восходящ освещённости диска. 2) коэф прозрачности. Опр из закона Бугера-Ламберта. p=I_дz/I₀=exp(-ε), I_z-поток излучения, прошедший через слой воды дz=1м; I₀ -поток излучения, вошедший в этот слой, ε-показатель ослабления. Определение р и ε вып-ся с помощью приборов прозрачномеров на пробах воды. Цвет воды опр-ся цветом лучей, кот она рассеивает. Измерения желат-но при высоком стоянии Солнца и штиле. С ув-ем кол-ва взвеси и размеров её частиц вода зеленеет и приобретает желтоватый оттенок. Если взвеси нет-синий цвет. Если концентрация взвеси оч высокая, то вода приобр цвет этой взвеси. => по цвету воды можно опр происхождение воды. В горах синий, в тайге жёлто-коричневый. Шкала цветности (Форель, Уле)-набор пробиров с растворами мин-х солей. Сравнивая пробы воды со шкалой устанавл цвет.

^р

23=33. Электрические (магнитные) явления в почво-грунтах и воде, примеры их использования в практике. Омагниченная вода получается при пропускании её по трубопроводу, находящемуся в магнитном поле (МП). На неподвижную воду МП действует оч слабо. В 1945 Вермайер получил патент на способ борьбы с накипью в паровых котлах. Вода, пропущ через МП, не даёт накипи. Применяется на ТЭЦ, АЭС и др. С помощью такой воды бетон застывает быстрее и он прочнее, ув скорость протекания хим.реакций, ускорение прорастания семян и рост растений и др. Варианты, почему: 1)изменяется структура молекул воды; 2)влияют находящ в воде примиси. Точно не известно. \\\ Вода в ест водоёмах содержит ионы и различн взвешенные частицы, несущие заряд. Распределение их по акватории мб неодинаковым=>эл хар-ки могут значительно изменяться от места к месту. Электросмос. –движение жидкости через пористые материалы, обусловленное внешним эл.полем. проф Рейс. Эксперимент: U-образная трубка. Помещается пористый материал, напр, промытый песок, заливается водой. Слева Анод, справа Катод. После подачи напряжения к электродам, опущ в трубки, вода придёт в движение в направлении отрицат полюса (К). Справа уровень воды повысится. Электроосмос наблюд-ся при прохождении воды не только через песок, но и глину, грунт и др. Электрокинетический потенциал при электроосмосе ξ =4πμv₁/(hD). μ-коэф вязкости, v-скорость, h=разность уровней воды, D-диэлектрич пост. Электрофорез –движение заряженных частиц, обусловленных внешним эл. полем. В кусов влажной глины вставлены 2 стеклянные трубки А и К. Насыпали на дно промытый песок, налили воды в них. Подали напряжение. Отрицат-но заряж частицы мигрировали к аноду. Внешне-помутнение воды (Ионы глины попали в воду). Уровень в А понизился, в К повысился. Электрический потенциал протекания – разность потенциалов, возникающ при протекании жидкости через пористую диафрагму (капилляр) под действием внешнего давления.уч Квинк. ЭДС пропорциональная давлению, под действием кот протекает жидкость. Явление, обратное электроосмосу. Потенциал тем выше, чем больше ионов диффузионного слоя выносится из капилляра в ед времени. Кол-во этих ионов пропорционально объёмой скорости жидкости и ξ-потенциалу: ξ=4πμU/(DP), U-разность потенциаов, возникающ на пов-ти диафрагмы, P-приложенное внешн давление. Электрический потенциал седиментации – разность потенциалов, возникающая между поверхностны и придонным слоями жидксти при быстром оседании тв-х частиц на дно. Обратно электрофорезу. Дорн. В ёмкость с неподвижной водой, к кот подлючены А и К, насыпаем песок. В рез-те движения возникает эл.ток, это видно на приборе для регистрации эл.тока. Двойной эл слой – 2 близких друг к другу слоя эл зарядов разного знака, но с одинаковой поверхностной ρ, возникающие на границе раздела 2х фаз. Это явление хар-но для рганица раздела 2х фаз различного хим состава, например, металла и раствора воды и воздуха (газовые пузырьки в воде). Пример капилляра, заполненного водой. В рез-те диссоциации пов-х молекул чстиц тв фазы капилляра на ионы происходит переход одного из них, напр, положит, в окр дисперсную среду (раствор). На пов-ти капилляра останется избыточное кол-во отрицат ионов. После того, как пов-ть тв фазы приобретёт эл зарят, она притянет к себе из раствора ионы отрицат знака в таком кол-.ве, что заряды компенсируются и образуется равновесный электронейтральный двойной эл слой. Т.е. будет избыток ионов +, во время нейтральности раствора вне этого слоя.