第一节 水的主要特性

一、水的物理性质

从物理学中可知：纯净的水是一种无色、无臭、无味、透明的液体。纯净的水不易导电。在常压下，水的凝固点（冰点）是0℃，沸点是100℃，在4℃时，1m³的水的质量为1kg（水的密度为1000kg/m³），此时密度最大。将水冷却到0℃，可以结成冰而体积增加，它的体积为原来的1.09倍；如果加热到100℃，使水变成水蒸气，体积增加1600多倍。在常温常压下，水以液态形式存在于自然界中，当气温降到其冰点以下时，水将以固态（冰）形式存在，当气温升高时水将产生汽化（蒸发），固、液、汽三态转换如图1-1所示。水对很多物质的溶解能力很强。水中含有溶解的空气，水中生物的生活就是依靠溶解在水中的氧气。

水是自然界广泛存在的一种物质，除了上述物理性质外，还具有很多其他物理性质，比如水的力学性质（物理性质实际包括力学性质），主要是指惯性、万有引力特性、黏滞性、压缩性和表面张力特性。我们主要学习前三个特性。

二、惯性

水与其他物体一样，具有惯性。惯性就是物体保持原有运动状态的特性。惯性的大小用质量来度量，质量大的物体，惯性也大。当水体受外力作用使运动状态发生改变时，由于水体的惯性引起对外界抵抗的反作用力称为惯性力，其大小遵循牛顿第三定律（F=-Ma）。

单位体积的水体质量称为水的密度。常用符号ρ表示，若一均质水体质量为M，体积为V，其密度为

在国际单位制（SI单位制）中，质量的单位为克（g）或千克（kg），体积的单位用立方米（m³）表示，则密度的单位为千克/米³（kg/m³）。

严格地说，水体的密度随水体的温度及其所受的压力的变化而有微小变化，但在实际使用时一般可看作常数。在一个大气压下温度为4℃时水的密度为ρ=1000kg/m³。

三、万有引力特性

万有引力特性是指任何物体之间相互具有引力的性质，其吸引力称为万有引力。地球对物体的引力称为重力，或重量。水在地球上与其他物质一样，总是要受到重力的作用，而重力的作用方向总是铅垂向下的，当无外界能量加入时，水流运动的趋势必然从高处流向低处，这便是人们常说的“水往低处流”的道理。

一定水体所受的重力大小用单位体积水体的重量（称为容重，用γ表示）来表示，对于均质水体，若重量为G，体积为V，则

因重力G=Mg［g为重力加速度，单位为米/秒²（m/s²）］，代入式（1-2）有

则

水的容重和密度一样随水体温度和压力的变化而有微小变化，在实际使用时也看成常数。在一个大气压下温度为4℃时水的容重为γ=9800N/m³。水在不同温度下的容重见表1-1。

四、黏滞性

当水处在运动状态时，若水质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为水体的黏滞性，此内摩擦力又称为黏滞力。

水体黏滞性的存在可用下例来说明。当水在重力作用沿渠道流动时，如果测出水流横断面某条垂线上的流速分布图，如图1-2所示，就可发现流速沿垂线分布是不均匀的，渠底流速为零，离渠底越远，流速越大，至水面附近流速最大。因为紧靠渠底的第一层极薄的水层由于附着力的作用贴附在底面上不动，该水层又通过黏滞作用而影响第二层的流速，第二层又通过黏滞作用而影响第三层的流速，……但离渠底越远，渠底对流速的影响越小。这样逐层影响就形成了如图1-2所示的流速分布状态。这说明水流是具有黏滞性的。

因各流层的流速不等，即水层间有相对运动，相邻水层间就出现内摩擦力。流的快的水层对流的慢的水层起拖动作用，因而上层（流速快）作用于下层（流速慢）的摩擦力与水流方向一致；反之，下层对上层起阻滞作用，则下层作用于上层的摩擦力与水流方向相反，如图1-2所示。这两个摩擦力大小相等、方向相反，都具有抗拒其相对运动的性质。

根据前人的科学实验证明，当水流质点作互不掺混的层状流动时，相邻流层接触面的单位面积上所产生的内摩擦力τ的大小，与两流层间的流速差du成正比，与两流层间的距离dy成反比，同时与水的黏滞性有关。将试验结果写成表达式，即

或

式中 μ——水的动力黏滞系数，牛顿·秒/米²(N·s/m²)。

不同的液体各不相同。两流层间流速差与其距离的比值又称为流速梯度。式（1-5）称为牛顿内摩擦定律。它表述为：做层流运动的液体，相邻液层间单位面上所作用的内摩擦力 （或黏滞力）与流速梯度成正比，同时与液体性质有关。

水力学中常用的是μ与密度ρ的比值，以ν表示，即

ν也反映液体黏滞性的大小，称为运动黏滞性系数，其单位为米²/秒（m²/s）或厘米²/秒（cm²/s）。

动力黏滞系数和运动黏滞系数与液体种类有关，并随温度的升高而减小，对于水，ν可按下列经验公式计算：

式中 t——水温，℃。

ν以厘米²/秒（cm²/s）计。为了方便，表1-2 已列出不同温度时水的ν值。

根据牛顿内摩擦定律，液体的切应力与剪切变形速度呈线形关系，即液体种类和温度不变时，比例系数（动力黏滞系数）为常数。符合上述规律的液体称为牛顿液体。由于液流内部存在内摩擦力，在流动过程中内摩擦力做功而不断消耗液流的机械能，即液流的部分机械能通过其内部的摩擦作用不断转化为热能而散逸。这种液流机械能的消耗称为液流的能量损失。因此，黏滞性是引起液流能量损失的主要根源。液流的能量损失是水力学中的一个重要问题，它和每一个水动力学问题都有密切关系，将在第二章中介绍。

由于黏滞性的存在，使水流运动情况变得异常复杂（如使流速分布不均匀，引起水流机械能损失等）。在分析水力学问题时，为了简单起见，有时不考虑液体的黏滞性的存在。这种假想的没有黏滞性的液体称为理想液体，而具有黏滞性的液体称为实际液体。