Теплопроводность и теплоемкость воды. Механическое действие воды

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 14.12.2024

Вода — простейшее химическое соединение водорода с кислородом. Химически чистая вода состоит из 11,19% водорода и 88,81% кислорода (по весу). Вода — самое распространенное и самое необыкновенное вещество на Земле благодаря своим аномальным свойствам. В земных условиях только вода находится в трех физических агрегатных состояниях: твердом (лед, снег), жидком (вода) и газообразном (пар). В парообразном состоянии (при температуре 100°С) вода состоит главным образом из простых молекул, называемых гидролями (Н₂О). В жидкой фазе вода представляет собой смесь гидролей (Н₂О) двойных молекул — дигидролей (Н₂О)₂ и тройных молекул — тригидролей (Н₂О)₃.

В твердой фазе (лед) в воде преобладают тригидроли (Н₂О)₃. Переход воды из одного состояния в другое происходит быстро и сопровождается или поглощением тепла (при испарении, таянии льда и снега) или выделением тепла (при конденсации и сублимации водяного пара, при замерзании воды), но на температуру самой воды (льда) это не влияет. При этом скачкообразно изменяются физические и химические свойства воды. Химически чистая вода при нормальном атмосферном давлении 760 мм (1013 гПа) кипит при 100 °С, замерзает при О°С (это и температура плавления льда), имеет наибольшую плотность при температуре +4 °С.

Теплоемкость. Вода — одно из самых теплоемких в природе тел. Удельной теплоемкостью вещества называется количество теплоты, необходимое для нагревания 1 кг вещества на 1 °С. Вследствие высокой теплоемкости воды океанов, морей и озер поглощают огромное количество тепла летом, являясь его мощными аккумуляторами. Зимой воды, охлаждаясь, отдают тепло в атмосферу. Этим объясняется большое умеряющее (летом охлаждающее, зимой отепляющее) влияние океанов и морей на климат прилегающих материков в умеренных и высоких широтах. В экваториально-тропических теплоэнергетических зонах вода нагревается весь год и тепло морскими течениями и воздушными потоками передается в умеренные и полярные широты. Это перераспределение тепла имеет огромное климатическое значение.

Для воды характерны высокие значения теплоты испарения (597 кал/г) и теплоты плавления (79,4 кал/г). Эти свойства очень важны для живых организмов. Высокая теплота испарения обеспечивает защиту их от перегрева, а большая теплота плавления — от переохлаждения.

Теплопроводность воды весьма незначительна. Поэтому нагревание воды в естественных водоемах происходит не столько путем молекулярной теплопроводности, сколько путем плотностной конвекции, перемешивания воды вследствие течений и волнения. При отсутствии перемешивания воды в озерах наблюдается вертикальная термическая слоистость (стратификация). Лед и особенно снег обладают еще меньшей теплопроводностью, чем вода. Поэтому лед, возникнув на поверхности водоема, предохраняет воду от дальнейшего охлаждения, а снег — почву от промерзания, бесснежие же губит озимые культуры.

Плотность воды зависит от температуры и солености. Наибольшая плотность химически чистой воды достигается при температуре +4 °С, а выше и ниже +4 °С плотность воды уменьшается — вода становится легче. Это удивительное аномальное свойство воды по сравнению с другими жидкостями, плотность которых при понижении температуры и затвердевании увеличивается, объясняется тем, что одиночные молекулы воды Н₂О (моногидроли) могут объединяться и образовывать сложные молекулы: дигидроли и тригидроли. Они более крупные по объему, но относительно рыхлые, ажурные по структуре и поэтому более легкие.

При понижении температуры воды происходит, с одной стороны, нормальное уменьшение объема и уплотнение воды, вызванное охлаждением, как у всех жидкостей, а с другой — увеличение объема и соответственно уменьшение плотности воды из-за объединения молекул воды в более сложные, но более легкие. При охлаждении воды до +4 °С преобладает первый процесс, при температуре +4 °С оба процесса уравновешиваются, поэтому плотность наибольшая, при дальнейшем охлаждении воды ниже +4 °С преобладает второй процесс. Плотностная аномалия воды имеет громадное значение для природных вод. Во-первых, при осеннем охлаждении пресных водоемов до +4 °С более холодная и плотная вода с поверхности опускается и обогащает глубинные слои кислородом, как бы подготавливая водоем к зиме. Во-вторых, вследствие этой аномалии водоемы даже в условиях сурового климата не промерзают до дна, за исключением совсем мелких, поскольку при охлаждении воды ниже +4 °С вплоть до О °С верхние слои воды становятся менее плотными, более легкими и удерживаются на поверхности.

Так как молекулярная теплопроводность воды и льда невелика, верхние слои предохраняют от охлаждения ниже расположенные толщи воды; живые организмы тем самым уберегаются от гибели. Весной после таяния льда и нагревания воды в верхнем ее слое до +4 °С она становится тяжелее, плотнее и опускается вниз, обогащая глубинные слои кислородом, что очень важно для жизни, так как после зимы запасы кислорода в водоемах истощаются. Но это опускание прекращается после достижения температуры +4 °С, ибо при последующем прогревании поверхностная вода становится легче. Таким образом, благодаря плотностной аномалии воды сохраняется жизнь в водоемах в условиях холодных и умеренных климатических поясов.

Своеобразным свойством воды является резкое увеличение ее объема при замерзании. Объем льда примерно на 10% больше по сравнению с первоначальным объемом воды. И наоборот, плавление льда сопровождается не расширением, а сжатием и уменьшением объема воды. Это аномальное свойство воды объясняется тем, что при понижении температуры воды и переходе ее через О °С происходит быстрое превращение почти всех ее молекул в тригидроли, что сопровождается скачкообразным увеличением объема льда. Увеличиваясь в объеме, лед становится менее плотным (плотность льда при замерзании воды составляет 0,91 г/см 3 ), а значит, более легким, чем вода, и всплывает.

Будучи плохим проводником тепла, лед предохраняет глубокие слои воды от замерзания. Свойство воды увеличиваться в объеме при замерзании играет огромную роль при разрушении горных пород путем физического («морозного») выветривания, поскольку, замерзая в трещинах пород, лед давит на их стенки и разрывает породу на мелкие части. Изменение объема воды при замерзании и таянии льда создает в области многолетней мерзлоты особый рельеф: бугры пучения при замерзании воды и впадины при таянии льдистых грунтов и линз льда.

Подвижность — характерное свойство жидкой воды. Движение воды происходит под действием силы тяжести, различия плотностей, под влиянием ветра, вследствие притяжения Луной и Солнцем и др. Перемешивание воды способствует выравниванию ее температуры, солености, химического состава и т. д. Велика роль движущейся воды в перераспределении тепла в океанах путем морских течений. Благодаря поверхностным текучим водам размываются, перемещаются и отлагаются огромные массы горных пород.

Термическая устойчивость воды весьма высока. Водяной пар разлагается на водород и кислород только при температуре выше 1000°С в высоких слоях атмосферы.

Поверхностное натяжение. Вода среди жидкостей, кроме ртути, обладает самым большим поверхностным натяжением. Благодаря этому свойству вода поднимается по капиллярам в грунтах, движется вверх в растениях, обеспечивая соответственно почвообразование и питание растений. Без воды земледелие было бы невозможно.

Вода — прекрасный растворитель, поэтому все воды представляют собой газосолевые растворы различного химического состава и различной концентрации. Концентрация растворенных в воде веществ характеризуется соленостью, обозначается символом 5 и выражается в промилле (%о), т. е. в тысячных долях (граммах вещества на килограмм воды). Соленость пресной воды менее 1%о, остальные воды в той или иной степени соленые. Большая часть химических элементов находится в воде в виде гидратированных ионов, газы — в виде растворенных молекул. Растворимость газов в воде больше при низких температурах и повышенном давлении. Обнаружилось, что вода изменяет свою растворяющую способность под воздействием искусственно создаваемого магнитного поля. Растворяющая способность воды обусловливает химическое выщелачивание (выветривание) горных пород, обмен веществами между компонентами природы внутри географической оболочки, между сушей и океаном, между организмами и средой. Вообще минерализация воды до определенного предела — основа жизни. Химически чистая вода для жизни непригодна.

Способность к самоочищению — важное свойство воды. Оно осуществляется в процессе течения в реках, волнения в озерах и морях, фильтрации воды через грунт, в процессе испарения. Но при загрязнении выше определенных пределов эта способность нарушается.

Цвет воды. Вода имеет голубоватый оттенок, но в тонких слоях бесцветна. Оттенки цвета зависят от угла падения солнечных лучей, глубины проникновения света и от примесей.

Прозрачность воды определяется глубиной погружения белого диска диаметром 30 см. Прозрачность зависит от примесей. При большой прозрачности свет проникает на большую глубину, поддерживая необходимые условия для существования организмов.

Физические и химические свойства воды тесно взаимосвязаны. Особенно сильно изменяются свойства воды под влиянием температуры и давления. Удивительные свойства воды способствовали появлению и развитию жизни на Земле. Благодаря воде совершаются все процессы в географической оболочке.

Теплофизические свойства водяного пара: плотность, теплоемкость, теплопроводность

Теплофизические свойства водяного пара при различных температурах на линии насыщения

В таблице представлены теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения в зависимости от температуры. Свойства пара приведены в таблице в интервале температуры от 0,01 до 370°С.

Каждой температуре соответствует давление, при котором водяной пар находится в состоянии насыщения. Например, при температуре водяного пара 200°С его давление составит величину 1,555 МПа или около 15,3 атм.

Удельная теплоемкость пара, теплопроводность и его динамическая вязкость увеличиваются по мере роста температуры. Также растет и плотность водяного пара. Водяной пар становится горячим, тяжелым и вязким, с высоким значением удельной теплоемкости, что положительно влияет на выбор пара в качестве теплоносителя в некоторых типах теплообменных аппаратов.

Например, по данным таблицы, удельная теплоемкость водяного пара C_p при температуре 20°С равна 1877 Дж/(кг·град), а при нагревании до 370°С теплоемкость пара увеличивается до значения 56520 Дж/(кг·град).

В таблице даны следующие теплофизические свойства водяного пара на линии насыщения:

давление пара при указанной температуре p·10 -5 , Па;
плотность пара ρ″, кг/м 3 ;
удельная (массовая) энтальпия h″, кДж/кг; r, кДж/кг;
удельная теплоемкость пара C_p, кДж/(кг·град);
коэффициент теплопроводности λ·10 2 , Вт/(м·град);
коэффициент температуропроводности a·10 6 , м 2 /с;
вязкость динамическая μ·10 6 , Па·с;
вязкость кинематическая ν·10 6 , м 2 /с;
число Прандтля Pr.

Удельная теплота парообразования, энтальпия, коэффициент температуропроводности и кинематическая вязкость водяного пара при увеличении температуры снижаются. Динамическая вязкость и число Прандтля пара при этом увеличиваются.

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100! Например, теплопроводность пара при температуре 100°С равна 0,02372 Вт/(м·град).

Теплопроводность водяного пара при различных температурах и давлениях

В таблице приведены значения теплопроводности воды и водяного пара при температурах от 0 до 700°С и давлении от 0,1 до 500 атм. Размерность теплопроводности Вт/(м·град).

Черта под значениями в таблице означает фазовый переход воды в пар, то есть цифры под чертой относятся к пару, а выше ее — к воде. По данным таблицы видно, что значение коэффициента теплопроводности воды и водяного пара увеличивается по мере роста давления.

Примечание: теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность водяного пара при высоких температурах

В таблице приведены значения теплопроводности диссоциированного водяного пара в размерности Вт/(м·град) при температурах от 1400 до 6000 K и давлении от 0,1 до 100 атм.

По данным таблицы, теплопроводность водяного пара при высоких температурах заметно увеличивается в области 3000…5000 К. При высоких значениях давления максимум коэффициента теплопроводности достигается при более высоких температурах.

Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!

Удельная теплоемкость воды H2O

Приведены таблицы значений удельной теплоемкости воды H₂O и водяного пара в зависимости от температуры и давления. В первой таблице дана удельная теплоемкость воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении и температуре от 0,1 до 100°С.

Во второй таблице значения теплоемкости указаны в интервале температуры от 0 до 800°С и давлении от 0,1 до 100 бар. Вода в этих условиях может находится в жидком или газообразном состоянии, поскольку с понижением давления и (или) с ростом температуры она переходит в пар.

Жидкая вода обладает значительной величиной массовой удельной теплоемкости, по сравнению с другими жидкостями. При атмосферном давлении и температуре до 100°С она находится в виде жидкости и ее теплоемкость изменяется в диапазоне от 4174 до 4220 Дж/(кг·град).

При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды равна 4183 Дж/(кг·град). При температуре 100°С эта величина достигает значения 4220 Дж/(кг·град).

Изменение давления и температуры воды существенно влияет на ее удельную теплоемкость. Зависимость теплоемкости воды от температуры при атмосферном давлении не линейна. При нагревании воды до 30°С теплоемкость уменьшается, затем в интервале температуры 30…40°С значение этой величины остается практически постоянным (следует отметить, что в этом диапазоне температуры вода обладает наименьшей теплоемкостью). При температуре выше 40°С ее удельная теплоемкость увеличивается и достигает своего максимума при температуре кипения.

Если продолжить нагрев воды до перехода ее в пар, то тогда, при дальнейшем нагреве пара при атмосферном давлении, величина теплоемкости будет снижаться до некоторого предела, а затем снова начнет увеличиваться. Эта точка перегиба кривой теплоемкости определяется значениями соответствующих температуры и давления.

Как видно по данным в таблице, с повышением давления удельная теплоемкость воды уменьшается, но увеличивается также и температура кипения воды, например, при давлении в 100 бар (атмосфер) она находится в жидком состоянии даже при температуре 300°С. Удельная теплоемкость воды при этом составляет величину 5700 Дж/(кг·град). При продолжении нагрева воды, например до 320°С, она переходит в пар, который имеет большую теплоемкость.

Однако, при низких давлениях, вода начинает кипеть и переходит в пар при температурах гораздо ниже 100°С. Например, по данным таблицы, при давлении 0,1 бар и температуре 50°С, вода уже находится в виде водяного пара и его теплоемкость при этих условиях составляет величину, равную 1929 Дж/(кг·град).

Примечание: В таблице синим цветом показаны значения удельной массовой теплоемкости воды в жидком состоянии, а черным - значения теплоемкости водяного пара.

Плотность воды, теплопроводность и физические свойства H2O

Рассмотрены физические свойства воды: плотность воды, теплопроводность, удельная теплоемкость, вязкость, число Прандтля и другие. Свойства представлены при различных температурах в виде таблиц.

Плотность воды в зависимости от температуры

Принято считать, что плотность воды равна 1000 кг/м 3 , 1000 г/л или 1 г/мл, но часто ли мы задумываемся при какой температуре получены эти данные?

Максимальная плотность воды достигается при температуре 3,8…4,2°С. В этих условиях точное значение плотности воды составляет 999,972 кг/м 3 . Такая температурная зависимость плотности характерна только для воды. Другие распространенные жидкости не имеют максимума плотности на этой кривой — их плотность равномерно снижается по мере роста температуры.

Вода существует как отдельная жидкость в диапазоне температуры от 0 до максимальной 374,12°С — это ее критическая температура, при которой исчезает граница раздела между жидкостью и водяным паром. Значения плотность воды при этих температурах можно узнать в таблице ниже. Данные о плотности воды представлены в размерности кг/м 3 и г/мл.

В таблице приведены значения плотности воды в кг/м 3 и в г/мл (г/см 3 ), допускается интерполяция данных. Например, плотность воды при температуре 25°С можно определить, как среднее значение от величин ее плотности при 24 и 26°С. Таким образом, при температуре 25°С вода имеет плотность 997,1 кг/м 3 или 0,9971 г/мл.

Значения в таблице относятся к пресной или дистиллированной воде. Если рассматривать, например, морскую или соленую воду, то ее плотность будет выше — плотность морской воды равна 1030 кг/м 3 . Плотность соленой воды и водных растворов солей можно узнать в этой таблице.

Плотность воды при различных температурах — таблица

t, °С	ρ, кг/м 3	ρ, г/мл	t, °С	ρ, кг/м 3	ρ, г/мл	t, °С	ρ, кг/м 3	ρ, г/мл
0	999,8	0,9998	62	982,1	0,9821	200	864,7	0,8647
0,1	999,8	0,9998	64	981,1	0,9811	210	852,8	0,8528
2	999,9	0,9999	66	980	0,98	220	840,3	0,8403
4	1000	1	68	978,9	0,9789	230	827,3	0,8273
6	999,9	0,9999	70	977,8	0,9778	240	813,6	0,8136
8	999,9	0,9999	72	976,6	0,9766	250	799,2	0,7992
10	999,7	0,9997	74	975,4	0,9754	260	783,9	0,7839
12	999,5	0,9995	76	974,2	0,9742	270	767,8	0,7678
14	999,2	0,9992	78	973	0,973	280	750,5	0,7505
16	999	0,999	80	971,8	0,9718	290	732,1	0,7321
18	998,6	0,9986	82	970,5	0,9705	300	712,2	0,7122
20	998,2	0,9982	84	969,3	0,9693	305	701,7	0,7017
22	997,8	0,9978	86	967,8	0,9678	310	690,6	0,6906
24	997,3	0,9973	88	966,6	0,9666	315	679,1	0,6791
26	996,8	0,9968	90	965,3	0,9653	320	666,9	0,6669
28	996,2	0,9962	92	963,9	0,9639	325	654,1	0,6541
30	995,7	0,9957	94	962,6	0,9626	330	640,5	0,6405
32	995	0,995	96	961,2	0,9612	335	625,9	0,6259
34	994,4	0,9944	98	959,8	0,9598	340	610,1	0,6101
36	993,7	0,9937	100	958,4	0,9584	345	593,2	0,5932
38	993	0,993	105	954,5	0,9545	350	574,5	0,5745
40	992,2	0,9922	110	950,7	0,9507	355	553,3	0,5533
42	991,4	0,9914	115	946,8	0,9468	360	528,3	0,5283
44	990,6	0,9906	120	942,9	0,9429	362	516,6	0,5166
46	989,8	0,9898	125	938,8	0,9388	364	503,5	0,5035
48	988,9	0,9889	130	934,6	0,9346	366	488,5	0,4885
50	988	0,988	140	925,8	0,9258	368	470,6	0,4706
52	987,1	0,9871	150	916,8	0,9168	370	448,4	0,4484
54	986,2	0,9862	160	907,3	0,9073	371	435,2	0,4352
56	985,2	0,9852	170	897,3	0,8973	372	418,1	0,4181
58	984,2	0,9842	180	886,9	0,8869	373	396,2	0,3962
60	983,2	0,9832	190	876	0,876	374,12	317,8	0,3178

Следует отметить, что при увеличении температуры воды (выше 4°С) ее плотность уменьшается. Например, по данным таблицы, плотность воды при температуре 20°С равна 998,2 кг/м 3 , а при ее нагревании до 90°С, величина плотности снижается до значения 965,3 кг/м 3 . Удельная масса воды при нормальных условиях значительно отличается от ее плотности при высоких температурах. Средняя плотность воды, находящейся при температуре 200…370°С намного меньше ее плотности в обычном температурном диапазоне от 0 до 100°С.

Смена агрегатного состояния воды приводит к существенному изменению ее плотности. Так, величина плотности льда при 0°С имеет значение 916…920 кг/м 3 , а плотность водяного пара составляет величину в сотые доли килограмма на кубический метр. Следует отметить, что значение плотности воды почти в 1000 раз больше плотности воздуха при нормальных условиях.

Кроме того, вы также можете ознакомиться с таблицей плотности веществ и материалов.

Физические свойства воды при температуре от 0 до 100°С

В таблице представлены следующие физические свойства воды: плотность воды ρ, удельная энтальпия h, удельная теплоемкость C_p, теплопроводность воды λ, температуропроводность воды а, вязкость динамическая μ, вязкость кинематическая ν, коэффициент объемного теплового расширения β, коэффициент поверхностного натяжения σ, число Прандтля Pr. Физические свойства воды приведены в таблице при нормальном атмосферном давлении в интервале от 0 до 100°С.

Физические свойства воды существенно зависят от ее температуры. Наиболее сильно эта зависимость выражена у таких свойств, как удельная энтальпия и динамическая вязкость. При нагревании значение энтальпии воды значительно увеличивается, а вязкость существенно снижается. Другие физические свойства воды, например, коэффициент поверхностного натяжения, число Прандтля и плотность уменьшаются при росте ее температуры. К примеру, плотность воды при нормальных условиях (20°С) имеет значение 998,2 кг/м 3 , а при температуре кипения снижается до 958,4 кг/м 3 .

Такое свойство воды, как теплопроводность (или правильнее — коэффициент теплопроводности) при нагревании имеет тенденцию к увеличению. Теплопроводность воды при температуре кипения 100°С достигает значения 0,683 Вт/(м·град). Температуропроводность H₂O также увеличивается при росте ее температуры.

Следует отметить нелинейное поведение кривой зависимости удельной теплоемкости этой жидкости от температуры. Ее значение снижается в интервале от 0 до 40°С, затем происходит постепенный рост теплоемкости до величины 4220 Дж/(кг·град) при 100°С.

Физические свойства воды при атмосферном давлении — таблица

t, °С →	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
ρ, кг/м 3	999,8	999,7	998,2	995,7	992,2	988	983,2	977,8	971,8	965,3	958,4
h, кДж/кг	0	42,04	83,91	125,7	167,5	209,3	251,1	293	335	377	419,1
C_p, Дж/(кг·град)	4217	4191	4183	4174	4174	4181	4182	4187	4195	4208	4220
λ, Вт/(м·град)	0,569	0,574	0,599	0,618	0,635	0,648	0,659	0,668	0,674	0,68	0,683
a·10 8 , м 2 /с	13,2	13,7	14,3	14,9	15,3	15,7	16	16,3	16,6	16,8	16,9
μ·10 6 , Па·с	1788	1306	1004	801,5	653,3	549,4	469,9	406,1	355,1	314,9	282,5
ν·10 6 , м 2 /с	1,789	1,306	1,006	0,805	0,659	0,556	0,478	0,415	0,365	0,326	0,295
β·10 4 , град -1	-0,63	0,7	1,82	3,21	3,87	4,49	5,11	5,7	6,32	6,95	7,52
σ·10 4 , Н/м	756,4	741,6	726,9	712,2	696,5	676,9	662,2	643,5	625,9	607,2	588,6
Pr	13,5	9,52	7,02	5,42	4,31	3,54	2,93	2,55	2,21	1,95	1,75

Примечание: Температуропроводность в таблице дана в степени 10 8 , вязкость в степени 10 6 и т. д. для других свойств. Размерность физических свойств воды выражена в единицах СИ.

Теплофизические свойства воды на линии насыщения (100…370°С)

В таблице представлены теплофизические свойства воды H₂O на линии насыщения в зависимости от температуры (в диапазоне от 100 до 370°С). Каждому значению температуры, при которой вода находится в состоянии насыщения, соответствует давление ее насыщенного пара. При этих параметрах жидкость и ее пар находятся в состоянии насыщения или термодинамического равновесия.

В таблице даны следующие теплофизические свойства воды в состоянии насыщенной жидкости:

давление насыщенного пара при указанной температуре p, Па;
плотность воды ρ, кг/м 3 ;
удельная энтальпия воды h, кДж/кг;
удельная (массовая) теплоемкость C_p, кДж/(кг·град);
теплопроводность λ, Вт/(м·град);
температуропроводность a, м 2 /с;
вязкость динамическая μ, Па·с;
вязкость кинематическая ν, м 2 /с;
коэффициент теплового объемного расширения β, К -1 ;
коэффициент поверхностного натяжения σ, Н/м;
число Прандтля Pr.

Свойства воды на линии насыщения имеют зависимость от температуры. Ее влияние особенно сказывается на вязкости воды — динамическая вязкость H₂O при повышении температуры значительно снижается. Если, при температуре 100°С значение этого свойства воды в состоянии насыщения равно 282,5·10 -6 Па·с, то при температуре, равной, например 370°С, динамическая вязкость снижается до величины 56,9·10 -6 Па·с.

Другие свойства воды такие, как плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость, температуропроводность при росте ее температуры имеют тенденцию к снижению своих значений. Например, плотность воды уменьшается с 958,4 до 450,5 кг/м 3 при нагревании со 100 до 370°С.

Теплопроводность воды в состоянии насыщения при увеличении температуры также снижается (в отличие от нормальных условий и температуре до 100°С, при которых имеет место ее рост в процессе нагрева). Снижение теплопроводности связано с увеличением как температуры, так и давления насыщенной жидкости.

Следует отметить, что удельная энтальпия воды в зависимости от температуры значительно увеличивается при нагревании, как до температуры кипения, так и выше.

Теплопроводность воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении

В таблице представлены значения теплопроводности воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении. Теплопроводность воды указана в зависимости от температуры в интервале от 0 до 100°С.

Вода при нагревании становиться более теплопроводной — ее коэффициент теплопроводности увеличивается. Например, при 10°С вода имеет теплопроводность 0,574 Вт/(м·град), а при росте температуры до 95°С величина теплопроводности воды увеличивается до значения 0,682 Вт/(м·град).

Теплопроводность воды в зависимости от температуры и давления

В таблице приведены значения теплопроводности воды и водяного пара при температурах от 0 до 700°С и давлении от 1 до 500 атм.

Как известно, вода при атмосферном давлении закипает и переходит в пар при температуре 100°С. Коэффициент теплопроводности воды в этих условиях равен 0,683 Вт/(м·град). При увеличении давления растет и температура кипения воды (закон Клапейрона — Клаузиуса). По данным таблицы видно, при давлении в 100 раз выше атмосферного (100 бар) вода находится в виде пара при температуре от 310°С и имеет теплопроводность 0,523 Вт/(м·град).

Таким образом, следует отметить, что изменение давления влияет как на температуру кипения воды, так и на величину ее теплопроводности. Высокая теплопроводность воды достигается за счет роста давления — при повышении давления коэффициент теплопроводности воды увеличивается. Например, при давлении 1 бар и температуре 20°С вода имеет теплопроводность, равную 0,603 Вт/(м·град). При росте давления до 500 бар теплопроводность воды становится равной 0,64 Вт/(м·град) при этой же температуре.

Примечание: Черта под значениями в таблице означает фазовый переход воды в пар, то есть цифры под чертой относятся к пару, а выше ее — к воде. Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Размерность теплопроводности воды в таблице Вт/(м·град).

Чему равен коэффициент теплопроводности воды. Как используют тепло- и электропроводность воды в практических целях

Вода обладает высокой теплоемкость. Большая теплоемкость воды играет значительную роль в процессе охлаждения и нагревания водоемов, а также в формировании климатических условий прилагающих районов. Вода медленно охлаждается и нагревается как во время суток так и при смене сезонов. Максимальное колебание температуры в Мировом океане не превышает 40°С, в то время как в воздухе эти колебания могут достигать 100-120°С. Теплопроводность (или перенос тепловой энергии) воды незначителен. Поэтому вода снег и лед плохо проводят тепло. В водоемах передача тепла на глубины происходит очень медленно.

Вязкость воды. Поверхностное натяжение

С увеличением солености вязкость воды несколько возрастает. Вязкость или внутреннее трение - свойство текучих (жидких или газообразных) веществ оказывать сопротивление собственному течению. Вязкость жидкостей зависит от температуры н давления. Она уменьшается как с повышением температуры, так и с увеличением давления. Поверхностное натяжение воды определяет силу сцепления между молекулами, а также форму поверхности жидкости. Из всех жидкостей, кроме ртути, у воды самое большое поверхностное натяжение. При повышении температуры оно уменьшается.

Ламинарное и турбулентное, установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное движение воды

Ламинарное движение - параллельноструйное течение, при постоянном расходе воды скорость каждой точки потока не изменяется во времени ни по величине, ни по направлению. Турбулентное - форма течения, при которой элементы потока совершают неупорядоченные движения по сложным траекториям. При равномерном движении поверхность параллельна выровненной поверхности дна. при неравномерном движении уклон скорости течения живого сечения постоянный в длине сечения, но изменяется по длине потока. Неустановившееся движение характеризуется тем, что все гидравлические элементы потока на рассматриваемом участке изменяются по длине и во времени. Установившееся - наоборот.

Круговорот воды, его материковые и океанические звенья, внутриматериковый круговорот

В круговороте выделяют три звена - океаническое, атмосферное и материковое. Материковое включает в себя литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное звенья. Атмосферное звено характеризуется переносом влаги в циркуляции воздуха и образования осадков. Для океанического звена характерно испарение воды, в процессе которого непрерывно восстанавливается содержание водяного пара в атмосфере. Внутриматериковый круговорот характерен для областей внутреннего стока.

Водный баланс мирового океана, земного шара, суши

Глобальный влагооборот Земли находит свое выражение в водном балансе Земли, который математически выражается уравнением водного баланса (для Земного шара в целом и для его отдельных частей). Все компоненты (составляющие) водного баланса можно разбить на 2 части: приходную и расходную. Баланс - это количественная характеристика круговорота воды. Метод расчета водного баланса применяется для изучения приходных и расходных элементов крупных частей земного шара - суши, Океана и Земли в целом, отдельных материков, больших и малых речных бассейнов и озер, наконец, больших участков полей и леса. Этот метод позволяет гидрологам решать многие теоретические и практические задачи. В основе изучения водного баланса лежит сравнение приходных и расходных его частей. Например, для суши приходной частью баланса служат атмосферные осадки, а расходной - испарение. Пополнение Океана водой происходит за счет стока речных вод с суши, а расход - за счет испарения.

Kaк вы сможете купить небо или тепло земли? Эта мысль нам непонятна. Если мы не распоряжаемся свежестью воздуха и всплесками воды, то как вы можете купить их у нас?

Теплопроводность воды примерно в 5 раз выше теплопроводности масла. Она увеличивается с увеличением давления, но при давлениях, имеющих место в гидродинамических передачах, ее можно принять постоянной.

Теплопроводность воды приблизительно в 28 раз превышает теплопроводность воздуха. В соответствии с этим увеличивается скорость теплопотери при погружении тела в воду или соприкосновении с ней, а это в значительной мере определяет теплоощущение человека на воздухе и в воде. Так, например, при - (- 33 воздух кажется нам теплым, а такая же температура воды - безразличной. Температура воздуха 23 кажется нам безразличной, а вода такой же температуры - прохладной. При - (- 12 воздух кажется прохладным, а вода - холодной.

Теплопроводность воды и водяного пара г несомненно, изучена лучше всех других веществ.

Динамическая вязкость (х (Па-с некоторых водных растворов.| Изменение массовой теплоемкости водных растворов некоторых солей в зависимости от концентрации раствора.| Теплопроводность некоторых растворов в зависимости от концентрации при 20 С.

Теплопроводность воды имеет положительный температурный ход, поэтому при малых концентрациях теплопроводность водных растворов многих солей, кислот и щелочей с повышением температуры растет.

Теплопроводность воды значительно больше, чем у других жидкостей (кроме металлов) и изменяется тоже аномально: до 150 С возрастая и лишь затем начиная уменьшаться. Электропроводность воды очень мала, но заметно возрастает при повышении и температуры, и давления. Критическая температура воды равна 374 С, критическое давление 218 атм.

Теплопроводность воды значительно больше, чем у других жидкостей (кроме металлов), и изменяется тоже аномально: до 150 С возрастает и лишь затем начинает уменьшаться. Электропроводность воды очень мала, но заметно возрастает при повышении и температуры, и давления. Критическая температура воды равна 374 С, критическое давление 218 атм.

Динамическая вязкость ц (Па-с некоторых водных растворов.| Изменение массовой теплоемкости водных растворов некоторых солей в зависимости от концентрации раствора.| Теплопроводность некоторых растворов в зависимости от концентрации при 20 С.

Теплопроводность воды имеет положительный температурный ход, поэтому при малых концентрациях теплопровод-кость водных растворов многих солей, кислот и щелочей с повышением температуры растет.

Теплопроводность воды, водных растворов солей, спиртоводных растворов и некоторых других жидкостей (например, гликолей) возрастает с повышением температуры.

Теплопроводность воды очень незначительна по сравнению с теплопроводностью других веществ; так, теплопроводность пробки - 0 1; асбеста - 0 3 - 0 6; бетона - 2 - 3; дерева - 0 3 - 1 0; кирпича-1 5 - 2 0; льда - 5 5 кал / см сек град.

Теплопроводность воды X при 24 равна 0 511, теплоемкость ее с 1 ккал кг С.

Теплопроводность воды прн 25 равна 1 43 - 10 - 3 кал / см-сек.

Поскольку теплопроводность воды (Я 0 5 ккал / м - ч - град) примерно в 25 раз больше, чем у неподвижного воздуха, вытеснение воздуха водой повышает теплопроводность пористого материала. При быстром замораживании и образовании в порах строительных материалов уже не льда, а снега (Я 0 3 - 0 4), как показали наши наблюдения, теплопроводность материала, наоборот, несколько уменьшается. Правильный учет влажности материалов имеет большое значение для теплотехнических расчетов сооружений как надземных, так и подземных, например водоканализационных.

Теплопроводность воды - свойство, которым мы все, того не подозревая, очень часто пользуемся в быту.

Кратко про это свойство мы уже писали в нашей статье ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ В ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ → , в данном же материале дадим более развернутое определение.

Вначале рассмотрим значение термина теплопроводность в общем.

Теплопроводность, это …

Справочник технического переводчика

Теплопроводность — теплообмен, при котором перенос теплоты в неравномерно нагретой среде имеет атомно-молекулярный характер

[Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)]

Теплопроводность — способность материала пропускать тепловой поток

[СТ СЭВ 5063-85]

Справочник технического переводчика

Толковый словарь Ушакова

Теплопроводность, теплопроводности, мн. нет, жен. (физ.) — свойство тел распространять тепло от более нагретых частей к менее нагретым.

Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935-1940

Большой Энциклопедический словарь

Теплопроводность — перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия составляющих его частиц. Приводит к выравниванию температуры тела. Обычно количество переносимой энергии, определяемое как плотность теплового потока, пропорционально градиенту температуры (закон Фурье). Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом теплопроводности.

Большой Энциклопедический словарь. 2000

Теплопроводность воды

Для более объемного понимания общей картины отметим несколько фактов:

Теплопроводность воздуха приблизительно в 28 раз меньше теплопроводности воды;
У масла теплопроводность ориентировочно в 5 раз меньше чем у воды;
При повышении давления теплопроводность повышается;
В большинстве случаях, при повышении температуры, теплопроводность слабо концентрированных растворов солей, щелочей и кислот так же растет.

В качестве примера, приведем динамику изменений значений теплопроводности воды в зависимости от температуры, при давлении 1 бар:

0°С - 0,569 Вт/(м град);
10°С - 0,588 Вт/(м град);
20°С - 0,603 Вт/(м град);
30°С - 0,617 Вт/(м град);
40°С - 0,630 Вт/(м град);
50°С - 0,643 Вт/(м град);
60°С - 0,653 Вт/(м град);
70°С - 0,662 Вт/(м град);
80°С - 0,669 Вт/(м град);
90°С - 0,675 Вт/(м град);

100°С - 0,0245 Вт/(м град);
110°С - 0,0252 Вт/(м град);
120°С - 0,026 Вт/(м град);
130°С - 0,0269 Вт/(м град);
140°С - 0,0277 Вт/(м град);
150°С - 0,0286 Вт/(м град);
160°С - 0,0295 Вт/(м град);
170°С - 0,0304 Вт/(м град);
180°С - 0,0313 Вт/(м град).

Теплопроводность, впрочем, как и все остальные, является весьма важным для всех нас свойством воды. Например мы очень часто, сами того не зная, пользуемся им в быту — используем воду для быстрого охлаждения нагретых предметов, а грелку для аккумулирования тепла и его хранения.

Под теплопроводностью понимается способность различных тел проводить теплоту во все стороны от точки приложения нагретого предмета. Теплопроводность возрастает по мере увеличения плотности вещества, потому что тепловые колебания легче передаются в более плотном веществе, где отдельные частицы расположены ближе одна к другой. Этому закону подчиняются и жидкости.

Теплопроводность определяется количеством калорий, проходящих в 1 сек. через площадь в 1 см2 при падении температуры на 1° на протяжении 1 см пути. По теплопроводности вода занимает место между стеклом и эбонитом и почти в 28 раз превосходит воздух.

Теплоемкость воды . Под удельной теплоемкостью понимается то количество теплоты, которое может нагреть 1 г массы вещества на 1 °. Это количество теплоты измеряется калориями. За единицу теплоты принимается грамм-калория. Вода воспринимает при 14-15° большее количество теплоты, чем другие вещества; например, количество тепла, потребное для нагрева 1 кг воды на 1°, может нагреть на 1° 8 кг железа или 33 кг ртути.

Механическое действие воды

Наиболее сильным механическим действием отличается душ, наиболее слабым - полные ванны. Сравним механическое влияние, например, душа Шарко и полных ванн.
Дополнительное давление воды на кожу в ванне, где столб воды не превышает 0,5 м, составляет около 0,005, или 1,20 атмосферного давления, а сила удара водяной струи в душе Шарко, направленной на тело с расстояния 15-20 м, равняется 1,5- 2 атмосферам.

Независимо от температуры применяемой воды, под влиянием душа наступает энергичное, расширение кожных сосудой немедленно после падения на тело водяной струи. Одновременно проявляется возбуждающее действие душа.

Для исследования механического действия морских и речных: купаний применима формула F=mv2/2, где сила F равняется половине произведения массы т на квадрат скорости v2. Механическое действие морской и речной волн зависит не столько от массы воды, надвигающейся на тело, сколько от скорости, с которой совершается это движение.

Вода как химический растворитель . Вода обладает способностью растворять различные минеральные соли, жидкости и газы, от этою усиливается раздражающее действие воды. Большое значение придается ионному обмену, происходящему между водой и телом человека, погруженным в минерализованную ванну.

При нормальном давлении (т. е. при нулевой температуре) один объем воды поглощает 1,7 объема углекислоты; при повышении давления растворимость углекислоты в воде значительно повышается; при двух атмосферах давления при температуре в 10° растворяются три объема углекислоты вместо 1,2 объема при нормальном давлении.

Теплопроводность углекислоты в два раза меньше теплопроводности воздуха и в тридцать раз меньше теплопроводности воды. Этим свойством воды пользуются для устройства различных газовых ванн, заменяющих иногда минеральные источники.

В сторону снижения начинают обнаруживаться при толщине водной прослойки между сферической (с радиусом кривизны около 1 м) и плоской

В результате теплообмена между паром и жидкостью только верхний слой жидкости примет температуру насыщения , соответствующую среднему давлению слива . Температура основной массы жидкости останется ниже температуры насыщения. Нагревание жидкости протекает медленно вследствие низкого значения коэффициента температуропроводности жидкого пропана или бутана. Например, жидкого пропана на линии насыщения при температуре ts -- 20° С а = 0,00025 м-/ч, тогда как для воды, являющейся одним из наиболее инертных в тепловом отношении веществ , значение коэффициента температуропроводности при той же температуре будет а = 0,00052 м /ч.

Теплопроводность и температуропроводность древесины зависят от ее плотности, так как в отличие от теплоемкости на эти свойства влияет наличие распределенных по объему древесины полостей клеток, заполненных воздухом . Коэффициент теплопроводности абсолютно сухой древесины возрастает с увеличением плотности, а коэффициент температуропроводности падает. При заполнении полостей клеток водой теплопроводность древесины растет, а температуропроводность снижается. Теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек.

ЧТО зависит от резко различающихся значений этих коэффициентов для веществ углей, воздуха и воды. Так, удельная теплоемкость воды в три раза, а коэффициент теплопроводности в 25 раз больше, чем воздуха, поэтому коэффициенты тепло - и температуропроводности возрастают с увеличением влаги в углях (рис. 13).

Прибор, изображенный на рис. 16 слева, служит для измерения тепло - и температуропроводности сыпучих материалов. В этом случае испытуемый материал помещается в пространство, образованное внутренней поверхностью цилиндра 6 и цилиндрическим нагревателем 9, размещенным по оси прибора. Для уменьшения осевых потоков измерительный блок снабжен крышками 7, 8 из теплоизоляционного материала . В рубашке, образованной внутренним и наружным цилиндрами, циркулирует вода постоянной температуры. Как и в предыдущем случае, разность температур измеряется дифференциальной термопарой , один спай которой 1 укреплен вблизи цилиндрического нагревателя, а другой 2 - на внутренней поверхности цилиндра с испытуемым материалом.

К аналогичной формуле придем, если рассмотрим время, необходимое для испарения отдельной капли жидкости. Температуропроводность Хв жидкостей типа воды обычно мала. В связи с этим прогревание капли происходит относительно медленно за время пр о/Хв- Это позволяет считать, что испарение жидкости происходит только с поверхности капли без значительного прогрева

На мелководьях прогрев воды осуществляется не только сверху за счет процессов теплообмена с атмосферой, но также и снизу, со стороны дна, которое из-за малой температуропроводности и сравнительно малой теплоемкости быстро прогревается. В ночные часы дно передает накопленное за день тепло слою воды, расположенному над ним, и возникает своеобразный парниковый эффект.

В этих выражениях Яд и Н (в кал моль) - теплоты абсорбции и реакции (положительная при экзотермичности реакции), а остальные обозначения указаны выше. Коэффициент температуропроводности для воды составляет около 1,5 10" см 1сек. Функции и

Значительно менее изучены теплопроводность и температуропроводность буровых растворов . В тепловых расчетах коэффициент теплопроводности их, по В. Н. Дахнову и Д. И. Дьяконову, а также Б. И. Есьману и др. , принимают тот же, что и воды - 0,5 ккал/м-ч-град . По справочным данным, коэффициент теплопроводности буровых растворов равен 1,29 ккал/м-ч-град. С. М. Кулиев и др. предложили для расчета коэффициента теплопроводности уравнение

Для приблизительных расчетов процессов испарения воды в воздух и конденсации воды из влажного воздуха можно применять соотношение Льюиса , так как отношение коэффициента температуропроводности к коэффициенту диффузии при 20°С равно 0,835, что не сильно отличается от единицы. В разделе Г5-2 процессы, происходяшие во влажном воздухе , изучались при помощи графика зависимости удельного влагосодержания от энтальпии. Поэтому полезно было бы преобразовать уравнение (16-36) таким образом , чтобы в его правой части вместо парциальных

B уравнениях (VII.3) и (VII.4) и краевых условиях (VII.5) приняты следующие обозначения Ti и Т - соответственно температуры отвердевшего и неотвердевшего слоев - температура среды Т р - криоскопическая температура а и U2 - соответственно температуропроводности этих слоев а = kil ifi), mV А.1 - коэффициент теплопроводности для замороженного мяса, Вт/(м- К) А.2 - то же для охлажденного мяса , Вт/(м- К) q и сг - удельные теплоемкости замороженного и охлажденного мяса , Дж/(кг-К) Pi ир2 - плотность замороженного и охлажденного мяса р1 =pj = 1020 кг/м - толщина замороженного слоя, отсчитываемая от

Читайте также: