第一节 水的主要物理性质
【学习目标】
1.了解水的基本特性。
2.熟悉水的主要物理特性。
3.掌握水的容重、比热容与汽化热、导电性。
常温时，物质根据分子间距离不同，呈固、液、气三种状态。液体是介于固体和气体的中间状态，有其固有的特性：①由于液体分子间距离比固体大，分子间力比固体小，所以液体较之容易流动，静止的液体不能承受切应力，也没有固定的形状，但有一定的体积；②由于液体分子间距离比气体小，分子间力比气体大，所以液体较之体积不易压缩；③从微观角度来看，液体是不连续、不均匀的，但在消防水力学中，研究的是液体的宏观机械运动，一般认为液体是均质的，具有均匀等向性，即各部分和各方向的物理性质是一样的。因此，从宏观角度出发，液体可以看成是一种易于流动、不易压缩、均匀等向的连续介质。
水的平衡和运动，除了与作用于水的外界因素有关外，更重要的是取决于水本身的物理性质，液态水之所以作为主要的灭火剂，也是由它的主要物理性质决定的。
一、水的形态与冰点、沸点
常温时，纯净的水是无色、无味的透明液体。在1个大气压（1.01325×105Pa）下，温度在0℃以下时，水为固体，0℃为水的冰点；温度在100℃以上时，水为气体，100℃为水的沸点；温度在0～100℃之间，水为液体。
二、水的密度和容重
（一）水的密度
水的密度是指单位体积的水所具有的质量，用符号ρ表示。均质液态水的密度计算公式为：
（1-1-1）
式中 ρ——密度，kg/m3；
m——质量，kg；
V——体积，m3。
一般而言，液体的密度都随温度的增加而降低，但液态水的密度与温度的关系却是反常的，见表1-1-1。在4℃时，水的密度为999.98kg/m3，当温度大于或小于4℃时，水的密度都将减小，因此，水的密度在4℃时最大，近似取1000kg/m3。
表1-1-1 水的密度与容重（1.01325×105Pa）
大多数物质由液态凝固为固态时，其密度会增大，但水却相反。在0℃时，液态水的密度为999.84kg/m3，而固态水的密度为917kg/m3，因此，水结冰时，体积会突然增大9%以上，在封闭条件下而产生的压强可达2500个大气压。所以，消防储水容器或存有水的设备在冬季应进行保暖，防止结冰，以免损坏。
（二）水的容重
水的容重是指单位体积的水所具有的重量，用符号γ表示。均质液态水的容重计算公式为：
（1-1-2）
式中 γ——容重，N/m3；
G——重量，N；
V——体积，m3。
根据牛顿第二定律，G=mg，所以：
（1-1-3）
式中 g——重力加速度，m/s2，其数值大小与纬度有关，为便于计算，取g=9.81m/s2。
不同液体的容重各不相同，见表1-1-2，而同一种液体的容重随温度和压力的变化而变化。实验表明，液态水的容重随压力和温度的变化较小，可视为常数，通常取淡水的容重为：9810N/m3（1000kgf/m3，工程单位）。
表1-1-2 几种常见液体的容重（1.01325×105Pa）
例1-1-1 试计算1L水的质量和重量。
解：由题意可知，水的密度ρ=1000kg/m3，容重γ=9810N/m3（1000kgf/m3）。
则：
或：G=mg=1×9.81=9.81（N）
或：
答：1L水的质量为1kg，重量为9.81N（1kgf）。
三、水的比热容、汽化热和溶化热
（一）水的比热容
一定质量的物质，在不发生化学反应的情况下，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量称为该物质的热容量。单位质量物质的热容量称为比热容，简称比热，用符号C表示，单位为kJ/（kg·℃）或kcal/（kg·℃）（1kcal≈4.18kJ）。不同的物质增加相同的温度，比热容越大的物质需要吸收的热量越多。常见物质的比热容见表1-1-3。
表1-1-3 常见物质的比热容
液态水的比热容在常见液体和固体中是最大的，约为1kcal/（kg·℃）［4.18kJ/（kg·℃）］，即：1L水温度升高1℃，需要吸收1kcal（4.18kJ）的热量。固态水和气态水的比热容约为液态水的一半。所以液态水被大量用作工业冷却介质或加热介质，也普遍用于灭火，具有很好的冷却作用，若将1L 20℃的水喷洒到燃烧区，水温升高到100℃，则会吸收约80kcal或335kJ的热量。
（二）水的汽化热
水的蒸发是一个吸热过程，单位质量的液态水蒸发为气态水所需要吸收的热量称为汽化热。水的汽化热很大，1L 100℃的液态水，变成100℃的水蒸气，需要吸收约540kcal（2260kJ）的热量。因此，将水喷洒到燃烧区，使水迅速汽化，具有很好的冷却作用。
水变成水蒸气时体积会急剧扩大，1L水汽化后将产生1.7m3水蒸气；若火场温度按150℃计算，则1L水汽化后将产生约2m3水蒸气。水蒸气是惰性气体，占据燃烧区，具有窒息灭火的作用，从实验得知，空气中含水蒸气达35%时可以有效灭火。
由此可见，若使用雾状射流，将1L 20℃的水喷洒到燃烧区，使其迅速变成水蒸气，将总共吸收约620kcal（2600kJ）的热量。若此时水蒸气的温度为150℃，那么还能窒息2÷35%≈5.7m3（取5m3）的空间，使火焰熄灭。
（三）水的溶化热
在0℃时，单位质量的固态水完全溶化为液态水所需要吸收的热量，称为水的溶化热，约为80kcal/kg（335kJ/kg）。
流动状态下的水不易结冰，因为水的动能将部分转化为热量。冬季在火场上，当需要转移水枪阵地时，不应关闭水枪，而是关小射流，使水处于流动状态，避免水带内的水结冰，保证供水不中断。
四、水的黏滞性
水具有流动性，这说明静止的水没有阻抗剪切变形的能力。但是对于流动的水，当水分子之间存在着相对运动时，则会产生内摩擦力来抵抗其相对运动，即流动的水具有一定的阻抗剪切变形的能力，这种特性称为水的黏滞性。当水处于静止时，黏滞性是不显示作用的；当水处于流动时，黏滞性的阻抗作用将使水的流动缓慢下来。
水沿着管道作直线运动，设水分子是有规则的一层一层向前运动而不相互混掺。由于水具有黏滞性，靠近管道表面的一层水流层分子附着于管道表面而不动，其他水流层由于层与层之间存在着内摩擦力，因此各层流速不同，离管壁越远的水流层分子，受管壁的作用越小，因而流速大。因此，在垂直于管壁边界的z方向上，水流的速度分布是不均匀的，如图1-1-1所示。
图1-1-1 水流速度分布
五、水的溶解和湿润
（一）水的溶解
物质能否在水中溶解，与物质的极性有关。同水分子极性相似的物质易溶于水，例如氨气、丙酮、乙醚、乙醇、苯胺等。与水分子极性不同的物质，不易溶于水或不溶于水，例如汽油、柴油、煤焦油、苯等。
用水可以吸收易溶于水的气体，可以扑救易溶于水的固体物质火灾，可以冲淡易溶于水的可燃液体，使火灾得到控制或扑灭。用水可以扑救比水重的不溶于水的可燃液体火灾，例如用喷雾水可以扑灭二硫化碳火灾；但比水轻的不溶于水的可燃液体，易在水面扩散，给灭火工作带来不少困难。
（二）水的湿润
水分子之间有相互的吸引力，在水面形成表面张力。当水与固体物质接触，水分子与固体分子之间也存在相互的吸引力，称为附着力。若表面张力小于附着力，水与固体物质接触，水将渗透到固体物质，使其湿润难燃，例如水与木材、纸张接触；若表面张力大于附着力，水就不能或不易湿润固体物质，例如水与棉花、油毡接触。
水能湿润的固体物质，用水灭火效果好；水不能湿润的固体物质，用水灭火效果就差。若能减小水的表面张力，水的湿润性就增大。
六、水的导电性
水的导电性能与水质、射流截面积、射流形式和压力等有关，见表1-1-4。纯净的水电阻率很大，为不良导体。但消防用水一般常用自来水或天然水，都含有一定的杂质，电阻率减小，用水灭火应防止触电。紧急情况下，可以使用开花射流和喷雾射流扑救电气设备火灾，但仍然存在一定的触电风险，原则上禁止带电情况下出水作业。
表1-1-4 不同水质的电阻率
（一）带电灭火的最小安全距离
用水带电灭火，带电体与水柱、人体、大地可以形成一个电气回路。在回路中，若通过人体的电流不超过1mA，就可以保障消防人员的安全。水枪喷嘴与带电体的距离越长，电阻值越大，漏泄电流越小，因此带电灭火时，水枪喷嘴至带电体的距离应尽量远一些。当直流水枪口径不大于19mm、水压不大于0.55MPa、水的电阻率不小于1500Ω·cm时，不同电压情况下水枪喷嘴至带电体的最小安全距离见表1-1-5。
表1-1-5 水枪喷嘴至带电体的最小安全距离
（二）带电灭火的水柱截面积
水柱的截面积是由水枪口径决定的。水枪的口径越大，水柱的截面积越大，导电性能亦随之增大。据实验，在其他条件相同的情况下，水枪喷嘴口径由3mm增至10mm，水柱的漏泄电流从0.16mA增至0.6mA。因此，带电灭火应尽可能使用口径小的水枪。
（三）带电灭火的水压
水压越大，水枪射出的水柱越紧密，也越容易导电，因此，使用直流水灭火，水压不应太大。相反，如果使用喷雾水枪，则水压越高，雾化程度越好，则漏泄电流越小。用喷雾水枪进行带电灭火时，要根据电压大小保持与带电体的安全距离（5m以上），消防泵压力应保持0.7MPa以上，并在水枪喷出雾状水正常后，才能向带电体灭火。
思考与练习
1.试计算6000L水的质量和重量。
2.水的黏滞性对水流运动有何影响。
3.扑救汽车轮胎火灾为什么用泡沫比用水的效果好。