Физические свойства воздуха и воды

Физические свойства воздуха включают температуру, влажность, подвижность воздуха, атмосферное давление, электрическое состояние, солнечную радиацию. Каждый из этих факторов имеет самостоятельное значение, однако на организм они оказывают комплексное влияние.

При характеристике гигиенических показателей воздуха особое значение придают комплексу физических факторов, определяемых как климат. К ним относят температуру, относительную влажность и подвижность воздуха. Они играют решающую роль в регуляции теплообмена человека

При гигиенической оценке воздуха закрытых помещений физические факторы, характеризующие климат, объединяют понятием микроклимат помещений.

Температура воздуха является постоянно действующим фактором, определяющим тепловое состояние внешней среды и организма человека, т. е. теплообмен.

Теплообмен человека состоит из двух процессов: теплопродукции и теплоотдачи.

Теплопродукция происходит за счет окисления пищевых веществ и освобождения тепла при мышечных сокращениях, а также от лучистого тепла солнца и нагретых предметов, теплого воздуха и горячей пищи.

Теплоотдача осуществляется проведением, или конвекцией(за счет разницы температур тела и воздуха), излучением, или радиацией (за счет разницы температур тела и предметов), ииспарением (с поверхности кожи, через легкие и дыхательные пути). В состоянии покоя и теплового комфорта теплопотери конвекцией составляют 15,3 %, излучением - 55,6 %, испарением - 29,1 %.

Человек обладает способностью регулировать интенсивность теплопродукции и теплоотдачи, благодаря чему температура его тела остается, как правило, постоянной. Однако при значительных изменениях метеорологических факторов среды состояние теплового равновесия может нарушаться и вызвать в организме патологические сдвиги.

Наиболее выражено влияние неблагоприятной температуры в производственных условиях, где возможны очень высокие и очень низкие температуры воздуха (горячие и холодные цеха). В этих условиях микроклимат является профессиональной вредностью.

Влияние высокой температуры. При действии на организм температуры выше 35 oС нарушается отдача тепла конвекцией и компенсаторные реакции организма приводят к снижению теплопродукции и освобождению от излишнего тепла преимущественно потоиспарением. На величину потери тепла с потом существенно влияют влажность и подвижность воздуха. При температуре выше 35 oС и умеренной влажности потери пота достигают 5-8 л/сут, а в исключительных случаях - до 10 л/сут. Вместе с потом из организма выделяются соли (особенно хлориды) и водорастворимые витамины. Потеря солей приводит к повышению вязкости крови, затруднению работы сердца, угнетению желудочной секреции и снижению бактерицидных свойств желудочного сока. Со стороны центральной нервной системы отмечается ослабление внимания, нарушение точности и координации движений, замедление реакций, что способствует снижению качества работы и повышению травматизма. Снижается иммунобиологическая реактивность и повышается общая заболеваемость.

Резкое перегревание организма, особенно при тяжелой физической работе и высокой влажности, приводит к тепловому удару, проявляющемуся в виде слабости, головокружения, шума в ушах, сердцебиения, мышечных болей, сухости во рту, а в тяжелых случаях - к повышению температуры, нервно-психическому возбуждению и потери сознания. Следует отметить, что присутствие нагретых поверхностей усиливает состояние перегрева организма за счет особенностей биологического действия радиационного тепла. В соответствии с законами теплоизлучения (Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина) тепловое излучение нагретого предмета происходит более интенсивно, чем повышение его температуры, а спектральный состав излучения по мере нагревания предмета сдвигается в сторону более коротких волн и, следовательно, обусловливает более глубокое проникающее действие тепла на организм.

В производственных цехах пищевых предприятий важнейшей гигиенической задачей является профилактика перегрева организма. С этой целью предусматриваются удаление избыточного тепла с помощью общей и местной вентиляции, применение совершенных конструкций теплового оборудования, использование рациональной спецодежды.

Влияние низкой температуры. При очень низких температурах воздуха значительно возрастают теплопотери путем радиации и конвекции, снижаются теплопотери путем испарения. В этом случае общие теплопотери превышают теплопродукцию, что приводит к дефициту тепла и охлаждению организма.

Общее охлаждение. Низкие температуры воздуха, особенно в сочетании с высокой влажностью и подвижностью, могут привести к переохлаждению организма, характеризующемуся понижением температуры кожи, потерей болевой чувствительности, ведущей к ослаблению мышечной деятельности, резкому снижению реакции на болевые раздражения, адинамии (мышечной слабости) и сонливости.

Местное охлаждение, особенно ног, способствует развитию простудных заболеваний, что связано с рефлекторным снижением температуры слизистой оболочки носоглотки. Это явление учитывается при гигиеническом регламентировании перепадов температур воздуха в закрытых помещениях по вертикали, которые не должны превышать 2 оС на 1 м высоты.

Местное охлаждение рук при длительной разгрузке мороженого мяса, рыбы, при мытье овощей холодной водой и пр. приводит к нарушению кровообращения, что также является простудным фактором. При охлаждении понижается сопротивляемость организма к инфекционным заболеваниям.

В связи с этим на пищевых предприятиях необходимо соблюдать гигиенические мероприятия, предупреждающиепереохлаждение организма: проектирование утепленных тамбуров, устройство тепловых завес, устройство эффективной вентиляции, исключающей холодные потоки воздуха (сквозняки), соблюдение температурного режима при мытье посуды, оборудования и др.

Влажность воздуха - содержание в воздухе водяных паров. В комплексе с температурой и подвижностью воздуха определяет теплообмен организма.

Абсолютная влажность воздуха - содержание водяного пара (г) в 1 м3 воздуха. При одинаковой абсолютной влажности насыщение воздуха будет различным при разной температуре. Чем ниже температура, тем меньше водяных паров необходимо для максимального насыщения и, наоборот.

В гигиенической практике, как правило, учитывают относительную влажность воздуха и дефицит насыщения.

Относительная влажность воздуха - степень насыщения воздуха водяными парами в момент наблюдения (%). Определяется отношением абсолютной влажности к влажности, насыщающей воздух при данной температуре.

Дефицит насыщения - разность между максимальной и абсолютной влажностью.

Чем больше дефицит влажности, тем суше воздух, тем больше он может воспринимать водяных паров и тем больше отдача тепла путем потоотделения. Высокие температуры легче переносятся при сухом воздухе, а при большой относительной влажности (более 90 %) испарение пота прекращается, и может наступить перегревание организма, в то время, как при умеренной относительной влажности (до 70 %) потоиспарение усиливается и перегревание не наступает. При низких температурах сухой воздух снижает теплопотери ввиду плохой теплопроводности. Чрезмерно сухой воздух (с относительной влажностью менее 20 %) высушивает слизистую оболочку верхних дыхательных путей, вызывает трещины, инфицирование и воспаление.

Подвижность воздуха характеризуется скоростью движения. Скорость движения воздуха - число метров, проходимых воздухом в секунду. Подвижность воздуха оказывает влияние на теплопотери путем конвекции и потоиспарения. Умеренная подвижность воздуха при высокой температуре способствует охлаждению кожи, высокая подвижность воздуха при низкой температуре - вызывает переохлаждение. Мороз в тихую погоду переносится легче, чем при сильном ветре. Умеренный ветер оказывает бодрящее действие (5-7 м/сек).

Подвижность воздуха способствует вентиляции зданий, помещений, приводит к самоочищению воздуха от загрязнений. Наиболее благоприятная скорость движения атмосферного воздуха - 1-5 м/сек, в помещениях - 0,1-0,3 м/сек.

Атмосферное (барометрическое) давление - давление воздуха на поверхность земли. С увеличением высоты плотность и давление воздуха уменьшаются. Если на уровне моря 1 м3 воздуха весит 1293 г, то на высоте 20 км - 64 г, т. е. при одинаковом процентном содержании кислорода его весовая концентрация на высоте 20 км примерно в 20 раз меньше, чем на уровне моря.

Колебания атмосферного давления у поверхности земли связаны с погодными условиями и не превышают 4-10 мм рт. ст. Существенные понижения и повышения атмосферного давления вызывают неблагоприятные сдвиги в организме человека.

Пониженное атмосферное давление вызывает снижение парциального давления во вдыхаемом воздухе, что приводит кгипоксии (кислородному голоданию). К гипоксии наиболее чувствительны клетки коры головного мозга, т. к. они потребляют в 30 раз больше кислорода, чем другие клетки. При этом у человека отмечается тяжесть в голове, головная боль, нарушение координации движений, сонливость, психическое возбуждение (эйфория), сменяющееся апатией, депрессией и др.

Повышенное атмосферное давление характеризуется насыщением крови и тканей газами воздуха, что приводит к учащению пульса и частоты дыхания, уменьшению максимального и увеличению минимального артериального давления, понижению кожной чувствительности и слуха, сухости слизистых оболочек, усилению перистальтики кишечника и пр. В медицинской практике используются специальные барокамеры с повышенным барометрическим давлением, способствующее быстрому насыщению тканей больного кислородом, что дает лечебный эффект при некоторых заболеваниях.

Ионизация воздуха - распад газовых молекул и атомов под действием ионизаторов (радиоактивное излучение, ультрафиолетовое и световое излучение солнца, космические лучи, нагревательные поверхности, распыление воды и др.). Источником образования ионов могут служить растения (фотоэффект Столетова-Гальвакса).

При ионизации от нейтрального атома отделяется электрон, который присоединяется к другому нейтральному атому, образуя отрицательный ион. Оставшаяся часть становиться положительно заряженным ионом. К вновь образованным ионам присоединяются газовые молекулы, создавая более стойкие ионы с положительным или отрицательным зарядом, называемые легкими ионами (они существуют 1-2 мин и быстро рекомбинируются).
Вода в нормальных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами (H₂S, CH₄, HF). Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45° (104°27′). Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облакасильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды обладает большим дипольным моментом (p = 1,84 Д, уступает только синильной кислоте). Каждая молекула воды образует до четырёх водородных связей — две из них образует атом кислорода и две атомы водорода^[10]. Количество водородных связей и их разветвлённая структура определяют высокую температуру кипения воды и её удельную теплоту парообразования^[10]. Если бы не было водородных связей, вода, на основании места кислорода в таблице Менделеева и температур кипения гидридов аналогичных кислороду элементов (серы, селена, теллура), кипела бы при −80 °С, а замерзала — при −100 °С^[11].

При температуре перехода в твёрдое состояние молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности (большего объёма) воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C — 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути^{[12][13][14][15]}. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.

Вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные — атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.

Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде^[16]. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.

Капля, ударяющаяся о поверхность воды

Чистая вода — хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионовгидроксония H₃O⁺) и гидроксильных ионов HO⁻ составляет 10^-7 моль/л. Но поскольку вода — хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.

Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действиямикроволновой печи.

Агрегатные состояния[править | править вики-текст]

Фазовая диаграмма воды: по вертикальной оси — давление вПа, по горизонтальной — температура в Кельвинах. Отмеченыкритическая (647,3 K; 22,1 МПа) и тройная (273,16 K; 610 Па) точки. Римскими цифрами отмечены различные структурные модификации льда

Основные статьи: Водяной пар, Лёд, Фазовая диаграмма воды

По состоянию различают:

• «Твёрдое» — лёд
• «Жидкое» — вода
• «Газообразное» — водяной пар

Типы снежинок.

При нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст., 101 325 Па) вода переходит в твердое состояние при температуре в 0 °C и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C (температура 0 °C и 100 °C были специально выбраны как температура таяния льда и кипения воды при созданиитемпературной шкалы «по Цельсию»). При снижении давления температура таяния (плавления) льда медленно растёт, а температура кипения воды — падает. При давлении в 611,73 Па (около 0,006 атм) температура кипения и плавления совпадает и становится равной 0,01 °C. Такие давление и температура называются тройной точкой воды. При более низком давлении вода не может находиться в жидком состоянии, и лёд превращается непосредственно в пар. Температура возгонки (сублимации) льда падает со снижением давления. При высоком давлении существуют модификации льда с температурами плавления выше комнатной.

С ростом давления температура кипения воды растёт

При росте давления плотность насыщенного водяного пара в точке кипения тоже растёт, а жидкой воды — падает. При температуре 374 °C (647 K) и давлении 22,064МПа (218 атм) вода проходит критическую точку. В этой точке плотность и другие свойства жидкой и газообразной воды совпадают. При более высоком давлении и/или температуре исчезает разница между жидкой водой и водяным паром. Такое агрегатное состояние называют «сверхкритическая жидкость».

Вода может находиться в метастабильных состояниях — пересыщенный пар, перегретая жидкость, переохлаждённая жидкость. Эти состояния могут существовать длительное время, однако они неустойчивы и при соприкосновении с более устойчивой фазой происходит переход. Например, можно получить переохлаждённую жидкость, охладив чистую воду в чистом сосуде ниже 0 °C, однако при появлении центра кристаллизации жидкая вода быстро превращается в лёд.

Советский учёный Б. В. Дерягин заявлял, что существует тип воды, которая имеет плотность на 40 % выше нормальной и закипает при температуре +300°С. Эта разновидность воды была якобы открыта им на поверхности кристаллов кварца^[10]. Позднее Дерягин опроверг собственные утверждения, объяснив свою ошибку неряшливо поставленным экспериментом.

Изотопные модификации воды[править | править вики-текст]

Основная статья: Изотопный состав воды

И кислород, и водород имеют природные и искусственные изотопы. В зависимости от типа изотопов водорода, входящих в молекулу, выделяют следующие виды воды:

• Лёгкая вода (основная составляющая привычной людям воды) .
• Тяжёлая вода (дейтериевая) .
• Сверхтяжёлая вода (тритиевая) .
• тритий-дейтериевая вода
• тритий-протиевая вода
• дейтерий-протиевая вода

Последние три вида возможны, так как молекула воды содержит два атома водорода. Протий — самый легкий изотоп водорода, дейтерий имеет атомную массу 2,0141017778 а.е.м., тритий — самый тяжелый, атомная масса 3,0160492777 а.е.м. В воде из-под крана тяжелокислородной воды (H₂O¹⁷ и H₂O¹⁸) содержится больше, чем воды D₂O¹⁶: их содержание, соответственно, 1,8 кг и 0,15 кг на тонну^[11].

Хотя тяжёлая вода часто считается мёртвой водой, так как живые организмы в ней жить не могут, некоторые микроорганизмы могут быть приучены к существованию в ней^[11].

По стабильным изотопам кислорода ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O существуют три разновидности молекул воды. Таким образом, по изотопному составу существуют 18 различных молекул воды. В действительности любая вода содержит все разновидности молекул.