Плотность воды

Плотность воды показывает, какая масса вещества содержится в единице объёма. При температуре 4 °C плотность чистой воды близка к 1000 кг/м³, или 1 г/см³. Это значение часто используют в учебных расчётах, но в действительности плотность зависит от температуры, количества растворённых веществ и давления.

Необычная особенность воды состоит в том, что при охлаждении ниже 4 °C она начинает расширяться. Поэтому лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, и остаётся на поверхности. Это свойство определяет зимнюю жизнь озёр и рек.

Что такое плотность

Плотность — физическая величина, равная отношению массы тела к его объёму. Она обозначается греческой буквой ρ и рассчитывается по формуле:

ρ = m / V,

где ρ — плотность, m — масса, V — объём. В Международной системе единиц плотность измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³). В лабораторных и бытовых расчётах часто используют граммы на кубический сантиметр (г/см³). Соотношение единиц простое: 1 г/см³ = 1000 кг/м³.

Например, если масса воды равна 2 кг, а объём — 0,002 м³, её плотность составит 2 / 0,002 = 1000 кг/м³.

Чему равна плотность воды

Для чистой воды при нормальном атмосферном давлении плотность достигает максимума приблизительно при 3,98 °C. В практических задачах это значение округляют до 1000 кг/м³. При 20 °C плотность составляет около 998,2 кг/м³, а при 100 °C непосредственно перед кипением — около 958,4 кг/м³.

Значения приведены с округлением для чистой воды при давлении, близком к нормальному. Для точных инженерных расчётов используют специальные таблицы, учитывающие давление и температурную шкалу.

Почему плотность зависит от температуры

При нагревании молекулы движутся интенсивнее, среднее расстояние между ними увеличивается, а вода расширяется. Масса при этом не меняется, но тот же объём содержит немного меньше вещества. Поэтому с ростом температуры плотность обычно уменьшается.

Вода ведёт себя необычно в интервале от 0 до 4 °C. При нагревании от точки замерзания до 4 °C она не расширяется, а сжимается. Причина связана с водородными связями между молекулами. В холодной воде возникают более рыхлые упорядоченные структуры. Около 4 °C упаковка молекул становится наиболее плотной.

Почему лёд плавает

При замерзании молекулы воды образуют кристаллическую решётку с пустотами. Объём увеличивается примерно на 9%, а плотность уменьшается. Плотность обычного пресного льда при 0 °C составляет около 917 кг/м³. Это меньше плотности жидкой воды, поэтому сила Архимеда удерживает лёд на поверхности.

Плавающий ледяной покров защищает водоём от быстрого промерзания. Вода с температурой около 4 °C опускается ко дну, а более холодная остаётся сверху и превращается в лёд. Подо льдом сохраняется жидкий слой, в котором могут зимовать рыбы и другие организмы.

Плотность морской воды

Растворённые соли увеличивают массу воды сильнее, чем её объём. Поэтому морская вода плотнее пресной. При температуре около 20 °C её плотность обычно находится в пределах 1020–1030 кг/м³ и зависит прежде всего от солёности.

В сильно солёных озёрах и заливах плотность может быть ещё выше. Человеческому телу легче держаться на поверхности солёной воды, поскольку выталкивающая сила при том же погружённом объёме возрастает.

Дистиллированная, питьевая и речная вода

Дистиллированная вода почти не содержит растворённых солей, поэтому её свойства ближе всего к табличным значениям для чистой воды. В питьевой, речной и минеральной воде находятся соли, газы и органические вещества. Их количество обычно невелико, но точная плотность немного отличается.

Для большинства бытовых задач плотность пресной воды принимают равной 1 кг/л. Следовательно, 1 л воды имеет массу примерно 1 кг, 500 мл — около 500 г, а 10 л — около 10 кг. Небольшое отличие из-за температуры и состава в быту обычно несущественно.

Как давление влияет на плотность

Жидкую воду трудно сжать, поэтому у поверхности Земли влияние давления сравнительно мало. С увеличением давления молекулы немного сближаются, и плотность возрастает. Этот эффект учитывают в океанологии, гидравлике и технике, особенно на больших глубинах и при высоких давлениях.

В глубоководных районах одновременно действуют два фактора: низкая температура увеличивает плотность, а высокое давление дополнительно сжимает воду. Солёность также влияет на результат, поэтому океанологи рассчитывают плотность по нескольким параметрам.

Как измеряют плотность воды

Простейший способ — измерить массу известного объёма. Пустую ёмкость взвешивают, затем наливают воду до точной отметки и снова определяют массу. Разность показаний делят на объём. Для уменьшения ошибки нужны точные весы, мерная посуда и контроль температуры.

В лабораториях используют пикнометры, ареометры и электронные плотномеры. Ареометр погружается в жидкость: чем выше её плотность, тем меньше глубина погружения прибора. Для морской воды по плотности и другим параметрам можно оценивать солёность.

Практическое значение

Плотность воды учитывают при расчёте водопроводов, насосов, плотин, судов и подводных аппаратов. Она важна при определении грузоподъёмности кораблей и работе гидростатических приборов. В метеорологии и теплоэнергетике нужны точные данные для жидкой воды и водяного пара.

Различия плотности создают движение воды в морях и озёрах. Холодная и солёная вода обычно опускается, а более тёплая или пресная поднимается. Так возникают слои, перемешивание и часть океанических течений, переносящих тепло и растворённые вещества.

Краткие ответы

Какова плотность воды в кг на кубический метр

При 4 °C — приблизительно 1000 кг/м³. При 20 °C — около 998,2 кг/м³.

Сколько весит один литр воды

Около одного килограмма. При 20 °C литр чистой воды имеет массу примерно 998 г.

Что плотнее — вода или лёд

Жидкая вода плотнее. У воды при 0 °C плотность около 999,8 кг/м³, у пресного льда — около 917 кг/м³.

Что плотнее — пресная или морская вода

Морская вода плотнее из-за растворённых солей. Типичное значение — около 1025 кг/м³, но оно зависит от температуры и солёности.