Voda jako životní prostředí fyzikální a chemické vlastnosti obecně

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Voda jako životní prostředí fyzikální a chemické vlastnosti obecně"

Marek Šimek
před 9 lety
Počet zobrazení:

1 Hydrobiologie pro terrestrické biology Téma 4: Voda jako životní prostředí fyzikální a chemické vlastnosti obecně

2 voda jako životní prostředí : Fyzikální a chemické vlastnosti vody určují životní podmínky organismů Vlastnosti vody jsou důsledkem její molekulární struktury : vazby atomů vodíku tvoří úhel cca proto je molekula silně bipolární - molekuly vytvářejí shluky - rozpouštějí jiné látky

molekulární struktury : vazby atomů vodíku tvoří úhel cca 105 - proto

3 fyzikální vlastnosti vody: bipolární molekuly vody vytvářejí mezi sebou vodíkové můstky tím vznikají shluky (clusters) molekul shluky jsou dynamické struktury, stále vznikají a zanikají, jejich velikost lze popsat pouze statisticky v kapalné vodě průměrný počet molekul ve shluku roste s klesající teplotou : - při 0 C je 65, při 100 C je jen 12 molekul

zanikají, jejich velikost lze popsat pouze statisticky v kapalné vodě průměrný počet

5 fyzikální vlastnosti vody: bipolární molekuly vody vytvářejí mezi sebou vodíkové můstky tím vznikají shluky (clusters) molekul shluky jsou dynamické struktury, stále vznikají a zanikají, jejich velikost lze popsat pouze statisticky v kapalné vodě průměrný počet molekul ve shluku roste s teplotou : - při 0 C je 65, při 100 C je jen 12 molekul

vznikají a zanikají, jejich velikost lze popsat pouze statisticky v kapalné vodě

6 fyzikální vlastnosti ledu: zcela jiná je struktura ledu : při ztuhnutí se molekuly vody řadí do mřížky, ve které je každý atom O obklopen čtyřmi atomy H v podobě čtyřstěnu tato krystalická mřížka má široké rozestupy proto má led menší hustotu než voda při 0 C asi o 8,5 % - led pluje na vodě

čtyřmi atomy H v podobě čtyřstěnu tato krystalická mřížka má široké

7 fyzikální vlastnosti vody: Hustotní anomálie vody je s hlediska existence života ve vodách asi nejdůležitější vlastností vody - v čem spočívá? voda má největší hustotu při cca 4 C (přesněji při 3,94 C má hustotu právě 1,0) jak k tomu dochází? je to výsledek dvou protichůdných teplotních závislostí struktury kapalné vody

voda má největší hustotu při cca 4 C (přesněji při 3,94 C má hustotu právě 1,0)

8 Teplotní anomálie vody : s rostoucí teplotou od 0 C do 100 C se zmenšuje velikost shluků molekul menší shluky se lépe naskládají do prostoru, jsou hustší hustota vody roste současně se ale s rostoucí teplotou voda roztahuje, molekuly zaujímají větší prostor tato teplotní expanse při cca 4 C právě kompensuje rostoucí hustotu shluků výsledkem je maximální hustota při 4 C

se ale s rostoucí teplotou voda roztahuje, molekuly zaujímají větší prostor tato teplotní

10 fyzikální vlastnosti vody: proto při ochlazení pod 4 C se ochlazená voda drží na povrchu vodního biotopu, voda v hlubších vrstvách zůstává teplejší s teplotou bližší těmto 4 C posléze se na hladině vytvoří led, který pluje na vodě, zůstane na povrchu a navíc isoluje vodu pod sebou před další ztrátou tepla dostatečně hluboký vodní biotop nemůže promrznout až ke dnu

posléze se na hladině vytvoří led, který pluje na vodě, zůstane na povrchu a navíc isoluje

11 fyzikální vlastnosti vody: Teplota, při které má voda maximální hustotu (4 C), se snižuje : - s rostoucí koncentrací rozpuštěných látek : to je prakticky zanedbatelné ve sladkých vodách, ale podstatné v moři tam anomálie neplatí, hustota roste s klesající teplotou - s rostoucím tlakem v hloubce : - asi o 0,1 C na každý 1 MPa, tedy u dna hlubokých jezer nemůže být teplota 4 C

ale podstatné v moři tam anomálie neplatí, hustota roste s klesající teplotou - s rostoucím

12 fyzikální vlastnosti vody: Ekologickými důsledky hustotní anomálie vody se zabývá téma 5 : Teplota a důsledky Zvláštní charakter vody v kapalném skupenství má ještě další důsledky: - vysoké specifické teplo - špatnou vodivost tepla - vysoké povrchové napětí - vysokou viskositu s důsledky pro pohyb částic vody i pohyb objektů ve vodě

další důsledky: - vysoké specifické teplo - špatnou vodivost tepla - vysoké

13 fyzikální vlastnosti vody: vysoké specifické teplo vody : - při 15 C je třeba 4,82 kj k ohřátí 1 kg vody o 1 C důsledek : voda pomalu přijímá i vydává teplo, skladuje v sobě množství tepla a zpomaluje změny teploty v okolí vodních biotopů špatná vodivost tepla : teplo jen velmi pomalu proniká do vody difusí, transport tepla zajišťují vítr a vodní proudění

množství tepla a zpomaluje změny teploty v okolí vodních biotopů špatná vodivost tepla :

14 fyzikální vlastnosti vody: Povrchové napětí : voda má vysoké povrchové napětí (jen Hg má vyšší) je ovlivňováno teplotou a znečisťujícími látkami (povrchově aktivní látky, detergenty) povrchové napětí se uplatňuje na rozhraní mezi vodou a jiným prostředím, zejména vzduchem hladina vody vytváří povrch, který je pro některé organismy bariérou pro jiné prostředím, ve kterém nebo na kterém se pohybují...neuston, pleuston - viz později

uplatňuje na rozhraní mezi vodou a jiným prostředím, zejména vzduchem hladina vody vytváří povrch, který je

15 neuston a pleuston neuston jsou organismy žijící přímo v povrchové blance, obvykle mikroskopické velmi malých rozměrů řasy Chromulina, některá Euglena, bičíkovci pleuston jsou organismy (obvykle o něco málo větší), které využívají povrchové napětí hladiny k pohybu tím, že buď běhají po hladině (vodoměrky, brouci vírníci Gyrinus neplést s vířníky) nebo se zavěšují na hladinu s její spodní strany některé perloočky (Scapholeberis, Megafenestra)

využívají povrchové napětí hladiny k pohybu tím, že buď běhají po hladině (vodoměrky, brouci vírníci Gyrinus

16 organismy neustonu

17 fyzikální vlastnosti vody: povrchové napětí Na částice vody působí nejen síly kohese (navzájem drží pospolu), ale také síly adhese, které je přitahují k povrchu ponořených objektů. Převládne-li adhese nad kohesí, je povrch objektu hydrofilní = smočitelný. Převládá-li kohese nad adhesí, je povrch objektu nesmočitelný = hydrofobní. Mnoho vodních organismů má povrch nesmočitelný : fyzikální dýchání.

Převládne-li adhese nad kohesí, je povrch objektu hydrofilní = smočitelný.

18 fyzikální vlastnosti vody: povrchové napětí Mnoho vodních organismů má povrch nesmočitelný : fyzikální dýchání. rozdíly ve smočitelnosti povrchu různých organismů jsou i mezi skupinami planktonních živočichů (korýšů) jemné struktury na povrchu nesmočitelnost důsledkem je pak rozdílná míra přisedání epizootických organismů (= nárostů na povrchu těla prvoků, epizootických řas)

rozdíly ve smočitelnosti povrchu různých organismů jsou i mezi skupinami planktonních

19 fyzikální vlastnosti vody: viskozita Viskozita : výsledkem vzájemné přitažlivosti molekul vody a tvorby shluků je vnitřní tření při pohybu vody, dynamická viskozita µ [kg.m -1.s -1 = Pa.s] voda má sice relativně nízkou viskozitu, ale ta je teplotně závislá (a také závislá na koncentraci rozpuštěných látek ve sladkých vodách zanedbatelně) : při 0 C 1, Pa.s, při 20 C jen Pa.s - teplejší voda je tekutější

s] voda má sice relativně nízkou viskozitu, ale ta je teplotně závislá (a také závislá na koncentraci

20 fyzikální vlastnosti vody: viskozita dynamická viskozita je mírou toho, jak silně jsou pohybující se shluky částic kapaliny ve svém pohybu synchronizovány s ostatními shluky pro výpočty se používá kinematická viskozita, což je poměr dynamické viskozity a hustoty ν = µ / δ [m -2.s -1 ] - hustota je mírou hmotnosti shluků a tedy při pohybu mírou jejich setrvačnosti - poměr je mírou schopnosti překonávat nepravidelnosti pohybu shluků

viskozita, což je poměr dynamické viskozity a hustoty ν = µ / δ [m -2.

21 fyzikální vlastnosti vody: viskozita Biologické důsledky viskozity vody : - ve srovnání s ovzduším je voda husté prostředí klade odpor pohybu - omezuje aktivní pohyb - brání pasivní sedimentaci - ovlivňuje filtraci potravních částic - ovlivňuje uchycování v tekoucí vodě - ovlivňuje i šíření tepla

22 fyzikální vlastnosti vody: proudění Proudění : pohyb částic vody se může dít po rovnoběžných drahách shodnou rychlostí = proudění laminární nebo se mohou jednotlivé částice pohybovat navzájem nepravidelně po různých drahách různě rychle, i když celá vodní masa se pohybuje vpřed jedním směrem = proudění turbulentní

23 fyzikální vlastnosti vody: proudění Laminární proudění je důsledkem viskozity těsně se přitahující částice viskosní kapaliny se pohybují synchronně při turbulentním proudění převládá setrvačnost částic nad viskozitou poměr sil setrvačnosti a viskozity je vyjádřen bezrozměrným Reynoldsovýmčíslem Re Re = δ. U. l / µ = U. l / ν, kde U je rychlost [m.s -1 ], l [m] je délkový rozměru objektu (např. částice, průměr potrubí)

24 fyzikální vlastnosti vody: proudění Převládají-li síly viskozity, proudění vody (proudění kolem organismu) je laminární a Reynoldsovo číslo je malé Převládají-li síly setrvačnosti, proudění ve vodě (nebo kolem plujícího organismu) je turbulentní a hodnoty Reynoldsovačísla jsou větší než cca 500 až 2000 Drobné pomalé organismy žijí za nízkých hodnot Re Velké a rychlé organismy žijí v prostředí turbulentním za vysokých hodnot Re

25 Život za nízkých Re: vířník Brachionus

26 Život za nízkých Re: perloočka Daphnia

27 Život za vysokých Re: plejtvák myšok

28 Život za vysokých Re: Pstruh Salmo trutta

29 Příklady dosahovaných hodnot Reynoldsova čísla : plující velryba, Re 10 9 plující pstruh 10 5 prchající zooplankton 10 2 plující prvok 10-1 brvy filtračního aparátu planktonu 10-3

30 Voda jako životní prostředí : Fyzikální a chemické vlastnosti vody určují životní podmínky organismů : - ve srovnání s ovzduším je voda husté prostředí 1) velká hustota umožňuje vznášení se bez výdajů energie a bez opěrných struktur = existence planktonních organismů 2) velká hustota umožňuje existenci velmi hmotných organismů, jaké by na souši neměly dostatečnou opěrnou soustavu

Podobné dokumenty

Michal Šorf

Michal Šorf michal.sorf@mendelu.cz zimní semestr 2018/2019 Podmínky zápočtu: - účast na terénní exkurzi datum??? - vypracování seminární práce zadání proběhne příště Zkouška: - písemná, při opakovaném