1

1

ХидросфераХидросфера

2

• Хидросфера – део Земље којисадржи воду у било којој фази–Океани, мора, језера, баре, мочваре, влага у земљишту, подзмене воде, пара у атмосфери, глечери, вода уживим организмима

–Све где има молекула воде

3

2

4

• Хомогено распоређена сва вода наЗемљи би била слој дебљине 2,8 км

• Када би се сва пара кондензовалаи пала као киша водени талог бибио пар цм

• Годишње падавине износе цео редвеличине више!!! - > постојихидролошки циклус

5

ХидролошкиХидролошки циклусциклус• Мисли се обично на циклус уатмосфери!!!

• У атмосфери, десетак дана• У рекама, 16 дана• Језера, 50-100 година• Глечери, 20-100 година• Подзeмне воде, 104 година

6

• Вода–Одличан растварач скоро свихсупстанци

–Приликом растварања мења секонцентрација Н јона па и рН

–У океанима рН=8,5–На копну рН=4-9–Кишница - кисела

3

7

ОкеаниОкеани• Покривају око 70,8% површине Земље

– Пацифик, 30%– Атлантски, 20%– Индијски, 14%– Јужни (Антарктик), 4%– Северни ледени (Арктик), 3%

• Однос копно-океан– Север, 1:1,5– Југ, 1:4– Последица (због термалне инертности воде)

– клима на јужној полулопти је умеренија

8

ОкеаниОкеани• Порекло воде у океанима?

– Кондензовањем воде из атмосфере– Комете?

• Порекло растворених супстаници– Са копна– Разградња стена и земљишта– Концентрација расла са временом до некеравнотежне

– Достигнута пре око 600 милиона година (наоснову сличности фосила знамо да је тада)

9

ОкеаниОкеани -- салинитетсалинитет• Салинитете – концентрацијарастворених соли, око 3,5%

• само 6 елемената чини око 90% соли

4

10

ОкеаниОкеани• Садрже и гасове

–Азот, кисеони, угљен-диоксид, аргон, хелијум, неон

–Највећи су извор угљен-диоксида

11

ОкеаниОкеани -- температуратемпература• Највећа наекватору

• Са дубином опадаали не све времена исти начин

• У површинскојзони површинскеструје мешајуводу

• У дубокој зонитемпература јеоко 2оС

• Између јетермоклина гделинеарно опада

12

ОкеаниОкеани -- притисакпритисак• Уколико је сматрамонестишљивом, линеарно растеса дубином

5

13

МорскеМорске струјеструје

14

МорскеМорске струјеструје• Начини кретања воде у океанима

–Морске струје–Таласи–Плима и осека

• Морске струје–Уређено, углавном хоризонтално, кретање морске воде

15

МорскеМорске струјеструје• Површинске

– Деловањем ветра на површину воде– Допиру до 100 м дубине– Период “окретања”од неколико месеци догодину дана

• Дубинске– На дубинама већим од 100 м– Много су спорије од површинских– Узрок: мала разлика густине воде изазванеразликама у температури и салинитету• Хладна вода понире а топлија се подиже• Сланија вода је гушћа од мање слане воде ...

6

16

МорскеМорске струјеструје• Дубинске

– Т најнижа близу полова – густина воде јенајвећа

– Салинитет расте према половима – јер токомзамрзавања се те соли на “замрзавају”

– Хлађење воде близу Гренланда и Исландадодатно повећава њену густину

– Овако “густа” вода тоне и на већу добину иформира струју која се креће ка екваторугде се греје

17

• Голфска струја – из Мексичког залива уАтлантик

• Носи велику количину топлоте па сузиме у западноевропским градовимаумереније

• У 1 s пренесе 1,5x108 m3

• 100 х више него све светске рекезаједно

• Снага је 5 PW, премашује снагу 109

просечних нуклеарних електрана

18

ТаласиТаласи• Таласи

– Спољња сила изазове деформацијуповршине воде

– реституциона сила враћа деформисануповршину у претходно стање

• Спољња сила– најчешће ветар

• Реституциона– Гравитациона– Сила површинског напона

7

19

ТаласиТаласи

20

ТаласиТаласи• Подела таласа према томе шта ихизазива– Таласи изазвани метеоролошким утицајима

(ветар, атмосферски притисак)– Таласи изазвани тектонским поремећајима

(цунами)– Таласи изазвани астрономским утицајима

(плимски)• Разликују се и по таласној дужини, периоду, брзини, енергији

21

8

22

ТаласиТаласи• Делићи воде врше у ствари кружнокретање

23

• Не преносе се честице већенергија

Wave directionWave

24

ПрогресивниПрогресивни таласиталаси нанаводиводи

9

25

26

• Полупречник кружница опада садубином

27

БрзинаБрзина таласаталаса нана водиводи• Гравитациони – реституциона сила јегравитациона– g, ρ, λ– Димензиона анализа

10

28

БрзинаБрзина таласаталаса нана водиводи• Капиларни – реституциона сила јесила површинског напона–, ρ, λ

29

КарактеристикеКарактеристике водеводе• есенцијална за настанак живота наЗемљи

• Живи свет је настао у океанима• многа бића и данас могу да живеједино у води

• људско тело садржи око 70% воде• битна је и за транспорт хемијскихелемената у и из ћелија

30

КарактеристикеКарактеристике водеводе• интервал у коме је течна – одређује “зонуживота” (настањивости) у Сунчевом систему укоме може живот базиран на води да постоји

• Венера и Меркур су претопли, Јупитер и Сатурнсу прехладни

• Густина воде је максимална на +40С• Лед је ређи од течне воде (има мању густину)

– предност• вода у океанима се леди одозго на доле

– недостатак• пуцање водоводних цеви на ниским температурама

11

31

ФизичкеФизичке карактеристикекарактеристикеводеводе

32

ВодаВода ии неканека другадругаједињењаједињења

33

КарактеристикеКарактеристике водеводе

• И тачка кључања и топљења воде сезнатно разликују од одговарајућихтачака осталих супстанци

• Обе су неочекивано високе• распон температура у коме постојитечна вода је такође веома велики

• то је последица одговарајућих везаводоника за кисеоник у води

12

34

АномалијаАномалија водеводе• Разлог што јегустина леда мањаод густине воде јеу специфичнимвезама измеђумолекула

35

• 4 водоничне везеодржавају молекуле управилном геом. распореду –кристална решетка

• У течној води уследтермалног кретања севезе раскидају истварају

• Молекули се крећу паиспуњавају и“шупљине” измеђумолекула - зато јевода гушћа од леда

36

ЈошЈош некенеке особинеособине водеводе• Има највећу специфичну топлотнукапацитивност међу течностима. Последице:– добар је резервоар топлоте– има велику топлотну инертност– океани у великој мери утичу на климу

• Има највећу латентну топлоту испаравања– Игра велику улогу у формирању облака и олуја

• Има највећи коефицијент топлотног провођења– Није добар топлотни изолатор – осећамо хладноћудок пливамо и хладно нам је у влажној одећи

13

37

ЈошЈош некенеке особинеособине водеводе• Колоквијум 4.4.2014. у 15.00• Има и велику диелектричну константу –већу од скоро свих супстанци– Појављује се у Кулоновом закону. Великаконстанта – мања сила. Последица – соликоје су дисосовале у води теже да остану утом стању. Зато је вода добар и универзаланрастварач.

• Коефицијент површинског напона јевећи од свих течности сем живе.– Битно за задржавање воде у земљишту. – Зато су капи кише скоро сферног облика

38

ЛатентнаЛатентна топлотатоплота топљењатопљења• Количина енергије која је потребна да јединицамасе промени агрегатно стање од чврстог у течно– на температури топљења/очвршћавања.

• за воду износи 334 kJ/kg

ЛатентнаЛатентна топлотатоплота испаравањаиспаравања• Количина енергије потребна да јединица масетечности пређе у гасовито агрегатно стање –на температури кључања/кондензовања.

• За воду износи 2256 kJ/kg.

39

ФазнеФазне трансформацијетрансформације ии латентналатентнатоплотатоплота топљењатопљења//очвршћавањаочвршћавања

• за промену фазе је неопходан трансфер енергије

14

40

ФазнеФазне трансформацијетрансформације ии латентналатентнатоплотатоплота испаравањаиспаравања//кондензацијекондензације

• за промену фазе је неопходан трансфер енергије

41

42

• температура леда расте линеарно до 0оС• температура воде расте али спорије јер је с за воду већенего за лед

• на 100оС почиње кључање и траје дуже јер је латентнатоплота испаравања већа од латентне топлоте топљења

• температура водене паре расте брже од температуре водејер пара има мањи специфичну топлотну капацитивност

Li=2256 kJ/kgLt=334 kJ/kg

ctec=4 186 J/(kgK)

cled=2 090 J/(kgK)

cpara=1 520 J/(kgK)

15

43

• Ако систем размени неку количинутоплоте мења му се температура–Q = C m T– T = Q/(C m)=(Q/m)/C–ако се топлота апсорбује – расте температура–ако се топлота ослобађа – температура опада

• За сув ваздух је Cp=1 005 J/(K kg)

44

45

ХидролошкиХидролошки циклусциклус

16

46

ХидролошкиХидролошки циклусциклус• Вода кружи између океана и атмосфере• циклусом управља Сунце• Већина водене паре у атмосфери (84%) потиче изокеана – сунце је загрева и изазива испаравање

• топао ваздух иде на више, шири се услед мањегпритиска на већој висини и хлади

• водена пара се кондензује и формира облаке• ветар носи облаке док год се из њих вода у обликупадавина не нађе поново на земљи (киша, снег, град, ...)

• Већина падавина се нађе у океанима (70.8 % површинеЗемље је океан), ....

• брзина кружења воде је веома велика – време којемолекули проведу у атмосфери износи око 11 дана.

• како је укупна маса воде у атмосфери константна, испаравање је тачно уравнотежено падавинама

47

ВодаВода уу атмосфериатмосфери

• 20-30% Сунчеве енергије која стигне на Земљусваке секунде

• Има је око 1,24х1016 кг• Кад би пала одједном било би око 24 мм воде• Годишње падне око 3,96х1017 кг• Слој дебљине око 780 мм• То значи да се направи 780/24~32 циклуса

(хидролошки)• На годишњем нивоу је то око 11 дана• Обзиром на вредност латентне топлотеиспаравања у једној секунди се на то“потроши”

4848

ФазнеФазне трансформацијетрансформације• реални гасови се понашају каоидеални само уколико имтемпература није близутемпературе фазнетрансформације– кондензација– очвршћавање

• када гас пређе у течностмолекули су ближе једнидругима па запремина постајемања

• даљим хлађењем запремина сеспорије смањује а наконочвршћавања, она постаје јошмања

• на слици је приказан график V од t, када је притисакконстантан

17

4949

ФазнеФазне трансформацијетрансформације• променом притискапритиска гас такође може да пређе утечно агрегатно стање– нпр. угљен диоксид је гас на собној температури и приатмосферском притиску

– на истој температури постаје течан ако се повећапритисак

• згодно је нацртати PV дијаграм• из једначине стања, за идеалан гас за константнутемпературу се добија PV=const.

• када расте притисак запремина се смањује/иобрнуто (при константној температури) – Бојл-Мариотов закон

• крива се зове изотерма – математички је тохипербола

• снижавањем температуре криве престају да будухиперболе – гас се не понаша као идеалан – у њемупочиње кондензација

5050

• постоји тзв. критична тачка – одговараодговара јојјој критичнакритичнатемпературатемпература изнадизнад којекоје датадата супстанцасупстанца нене можеможе дада постојипостоји уутечномтечном стањустању!!

• ако је температура изнад ове, при довољно великим притисцимагас може да буде гушћи од течности али неће бити течан!? (немаостале особине течности – које?)– нема површински напон– неће остати у отвореном суду већ ће излазити из њега!– Пример – угљен диоксид не може да се кондензује ако је натемператури већој од 31,0оС

5151

• Критична температура за кисеоник је -118,4оСпа га је немогуће превести у течно стањеизнад те температуре.

18

52

• P,V,T• За цртањеграфика бирајусе двепроменљиве

5353

ФазниФазни дијаграмдијаграм

• пратили смо зависностиV од t и P од V

• зависност P од T(t)омогућује новосагледавање процесафазних трансформација

• PT дијаграми се зовуфазни дијаграми(постоје добродефинисане области укојима је супстанца уразличитим фазама)

54

ФазниФазнидијаграмдијаграм заза

водуводу• ако знамо P и Т, знаћемо у којој

фази је вода• пуне линије између фаза – у таквим

стањима су две фазе у равнотежи иодговарају ситуацијама када севрше фазне трансформације

• на 1 атм тачка кључања је на 100оС• температура кључања расте

равномерно до 374оС на притиску од218 атм

• крива има завршетак у критичнојтачки – вода не може да постоји каотечност на вишим температурамабез обзира на притисак

• крива између области течно/чврстодаје температуретопљења/очвршћавања заразличите притиске.

• на 1 атм је тачка топљења 0оС• за дату температуру можемо да

променом притиска преводимо водуиз течног у чврсто стање (топљењеснега под притиском)

• на нижим притисцима вода непостоји као течна (испод 0,006 атм)

• директан прелаз из чврстог стања угасовито – сублимацијасублимација

• све криве се срећу у тројној тачки. Она је за воду на 273,16К

ТемпературнаТемпературна осаоса нијеније линеарналинеарна!!!!!!

19

5555

РавнотежаРавнотежа фазафаза иинапоннапон парепаре

• комбинација притиска и температуретреба да је таква да се налази на кривимлинијама које раздвајају фазе. – коликотечности испари толико се кондензује

• требало би да обе фазе егзистирајузаједно –али то је тако само ако је судзатворен

5656

НапонНапон парепаре• ако кључа отворен суд са водом она ће пре или каснијесва испарити – јер изнад ње није само водена пара већваздух

57

КлаузијусКлаузијус--КлапејроноваКлапејроноваједначинаједначина

• Посматрамо Карноов циклус у коме јерадни флуид двофазни – течност ињена засићена пара у цилиндру саклипом

• Притисак паре је једнозначно одређентемпературом – фазни дијаграм

• Ако је Т=const. онда је и Р= const.• Изотерме су истовремено и изобаре!!!

20

58

КарноовКарноов циклусциклус

• За двофазнисистем изгледамало другачије

59

КарноовКарноов циклусциклусAA--BB--CC

• Притисак на клип – адијабатско сабијање засићенесмеше– запремина се смањи са VA на VB

• Температура смеше порасте и пара више нијезасићена!

• Да би дошла у равнотежно стање долази доиспаравања одређене количине течности

• Том приликом гушћа течност бива “замењена” ређомпаром

• Процес је изотермски (равнотежна фазнатрансформација) и запремина система порасте са VBна VC

• За овај процес систем апсорбује топлоту из околинеQBC

60

КарноовКарноов циклусциклусCC--DD--AA

• Адијабатско ширење до запремине VD укојој Т (и Р) имају почетне вредности

• Систем опет није у равнотежи јер имавише молекула паре од равнотежневредности – долази до (изотермне) кондензације. У овом процесу се ослобађатоплота QDA која загрева околину.

• Процеси су реверзибилни. Нема променеукупне ентропије

• QBC/TB=QDA/TD

21

61

КарноовКарноов циклусциклусCC--DD--AA

• Рад је једнак површини испод криве циклуса

• QBC/TB=QDA/TD• Рад при Карноовом циклусу је једнак разлицитоплота

62

КарноовКарноов циклусциклусCC--DD--AA

• Изједначaвање десних страна даје К-К једначину

63• Где је уведена специфична запремина (мало v) –запремина јединице масе

• Уколико је у цилиндру 1 кг воде у обе фазе• Нека је у стању А сва вода у течној фази а у стању Dу гасовитој

• Размењене топлоте су тада једнаке латентнојтоплоти испаравања/кондензовања

• Сем тога је запремина воде занемарљива у односуна запремину паре па се добија

22

64

• Количина водене паре у атомосфери јеодређена притиском засићене паре. Тоје парцијални притисак водене паре уравнотежи са кондензованом водом(једнаке количине воде се кондензују ииспаравају).

• Одређен Клаузијус-Клапејроновомједначином – даје притисак паре која јеу равнотежи са течном фазом

65

- парцијални притисак засићене паре пристандардним условима (298,15 К и притисакваздуха од 1 атмосфере)

• Одавде се види да притисак засићене паре зависи јакоод температуре – топлији ваздух може да садржимного више паре од хладног.

• На пример: у тропима (25oC) парцијални притисакводене паре је 32 mb, а на полу (-20 oC) износи 1,2 mb

• Из претходне једначине се за притисак паре добија

66

23

67

КоличинаКоличина влагевлаге уу ваздухуваздуху• Специфична влажност• mv-маса водене паре упосматраној масиваздуха, m-маса ваздуха

• Преко броја моловаводене паре и укупногброја молова(приближно једнак бројумолова ваздуха безводене паре)

68

КоличинаКоличина влагевлаге уу ваздухуваздуху• Релативна влажност• Однос парцијалногпритиска водене пареи притиска засићенепре на датојтемператури

• Експерименталноодређивање прекотачке росе

69

КоличинаКоличина влагевлаге уу ваздухуваздуху• Експериментално одређивањепреко тачке росе

• Роса се ствара на површима чијасе температура постепеносмањује

• Ваздух се на њима хлади наконстантном притиску док се незасити

• Температура на којој се тодешава је тачка росе Td

• Притисак је све времеконстантан!

24

70

ИнтеракцијаИнтеракција делићаделићаваздухаваздуха уу атмосфериатмосфери

• делић ваздуха?• Ваздух је флуид – непрекидна средина• Делић непрекидне средине – деоматерије врло мале запремине у којој сепромене свих релевантних величина(притисак, температура, густина, ...) могу занемарити. – Може се стога говорити температури делића, његовом притиску, ...

– Да би то било тако он мора да буде идовољно велик тако да садржи велики бројмолекула који су непрекидно распоређени уделићу.

71

ИнтеракцијаИнтеракција делићаделићаваздухаваздуха уу атмосфериатмосфери

– Величина и друге карактеристике делића? • У хор. правцу од неколико метара до неколикокилометара

• Међусобно се сматрају изолованим (ваздух је лошпроводник топлоте) па су процеси адијабатски, притисак им је једнак притиску околине и мале сукинетичке енергије (као целина, сва енергија имаје приближно једнака унутрашњој)

– Интеракција делића са околним ваздухом:• Хлађење и загревање на константном притиску• Хоризонтално мешање• Адијабатско ширење

72

ХлађењеХлађење ии загревањезагревање приприконстантномконстантном притискупритиску

• Делић се из стањаА хлади у стање В

• Расте му релативнавлажност и постајезасићен у В

• Даљим хлађењемдо С врши секондензација(ослобађа топлота) па му температураопада спорије

25

73

ХоризонталноХоризонтално мешањемешање• Два делића ваздухаразличитихтемпература наконмешања могу да сенађу у стању у комепостоје услови закондензацију

• Уколико су приближноједнаких запреминатемпература смеше јеприближно једнакааритметичкој срединипочетних температура

74

ХоризонталноХоризонтално мешањемешање• Ниједна одделића нематемпературу накојој долази докондензацијаали смеша има!

75

АдијабатскаАдијабатска конвекцијаконвекција иивертикалнавертикална стабилностстабилност

атмосфереатмосфере• стање ваздуха А• Нека се делић у таквом стањуподигао увис (струјањем илизбог рељефа)

• У зависности од количиневодене паре он ће се при томехладити брже или спорије

• Нека је у делићу више влагенего у околини, споријехлађење од околине, линијомАВ’

• Делић све време има мањугустину од околине и иде увисуслед потиска

• Закључак: његово почетностање је било нестабилно(више влаге од околине)

26

76

АдијабатскаАдијабатска конвекцијаконвекција иивертикалнавертикална стабилностстабилност

атмосфереатмосфере• стање ваздуха А• Нека се делић у таквом стању

подигао увис (струјањем или збогрељефа)

• У зависности од количине воденепаре он ће се при томе хладитибрже или спорије

• Нека је делић сувљи од околине, мање влаге – брже хлађење, АВ”

• Густина му је све време већа одоколине па ће након почетногподизања кренути наниже

• Почетно стање А је билостабилно.

• Када се врати на почетну висинукренуће по инерцији наниже

• Густина ће му постати мања па ћеуслед потиска кренути навише, итд. – улсови за осциловање

77

ОрографскоОрографско подизањеподизање ваздхаваздхаии формирањеформирање облакаоблака

• Ако је делић био незасићена подиже се на већу висинуса нижом Т постајезасићен, долази докондензације услед које сеформирају облаци.

• Кретање увис не мора дабуде конвективно

• Када је последица рељефаназива се орографско.

• Падавине се формирају наветровитој страни планине

• Друга је у кишној “сенци”.• Анди

78

ВертикалноВертикално осциловањеосциловањеделићаделића ваздухаваздуха, 31.3., 31.3.

• Подизање делићаиз стабилногстања изазивавертикалноосциловање(када се Т делићамења брже него Токолине)

• Колика јефреквенција овогпроцеса?

27

79

ВертикалноВертикално осциловањеосциловањеделићаделића ваздухаваздуха

• Када делић масе m’дође на местоделића истезапремине али масеm (разликују сегустине)

• На њега сада делујесила гравитацијенаниже и силапотиска (једнакатежини истиснутогваздуха навише)

80

ВертикалноВертикално осциловањеосциловањеделићаделића ваздухаваздуха

• Делић имаубрзање надолесамо ако јегушћи (сувљи) од околине

• У супротном имаубрзање навишеи не враћа се упочетно стање

81

ВертикалноВертикално осциловањеосциловањеделићаделића ваздухаваздуха

• Из једначинеидеалног гасногстања (истипритисак делићаи околине)

• Температураоколине иделића (нека субиле исте упочетку) семењају као

28

82

ВертикалноВертикално осциловањеосциловањеделићаделића ваздухаваздуха -- фреквенцијафреквенција• Добија сеједначинахармонијскогосциловања

• Брунт-Вајсаловафреквенција

83

ВертикалноВертикално осциловањеосциловањеделићаделића ваздухаваздуха -- периодпериод

• Периодосциловања

• Време потребноделићу брзине vда пређе прекопланине ширинеL једнако јепериодуосцилација

84

ЛијевиЛијеви таласиталаси• L=10 km• T=250 K• =5 K/km• ’=10 K/km• =300s• =100 km/h• Таласи се зовугравитациони или Лијевиталаси

29

85

ПоправкаПоправка моделамоделаизотермнеизотермне атмосфереатмосфере

• Изотермна атмосфера –претпоставка кодизвођења барометарскеформуле

• У том моделу из• За константнутемпературу следи

86

ПоправкаПоправка моделамоделаизотермнеизотермне атмосфереатмосфере

• У тропосфери међутим Топада са висином памерења притискаодступају од предвиђених

87

30

88

ПоправкаПоправка моделамоделаизотермнеизотермне атмосфереатмосфере

• Укоико тропосфера нијезасићена воденом паром

• Следи

• Након замене у релацију

• Решење је

89

90

ПоправкаПоправка моделамоделаизотермнеизотермне атмосфереатмосфере

• Одступања од измеренихвредности се ипак јављају и у овоммделу јер атмосфера није сува

• Последица постојања водене пареје замена коефицијента Гd=10 K/m, коефицијентом Г=6,5 K/m