Коэффициент теплопроводности воды по температуре. Теплопроводность и теплоемкость воды
Вода – уникальное вещество, которое имеет сложную молекулярную структуру, до конца еще не изученную. Вне зависимости от агрегатного состояния, молекулы H2O прочно связаны между собой, что определяет множество физических свойств воды и ее растворов. Давайте выясним,обладает ли обычная вода тепло- и электропроводностью.
К основным физическим свойствам H2O относятся:
- плотность;
- прозрачность;
- цвет;
- запах;
- вкус;
- температура;
- сжимаемость;
- радиоактивность;
- тепло- и электропроводность.
Последние характеристики теплопроводность и электропроводность воды – очень нестабильны и зависят от многих факторов. Рассмотрим их более подробно.
Электропроводность
Электрический ток представляет собой одностороннее движение негативно заряженных частиц – электронов. Некоторые вещества могут переносить эти частицы, а некоторые – нет. Эта способность выражается в числовой форме и представляет собой значение электропроводности.
До сих пор идут дискуссии насчет того, обладает ли электропроводностью чистая вода.Она способна проводить ток, но очень плохо. Электропроводность дистиллята объясняется тем, что молекулы H2 O частично распадаются на ионы H+ и OH-. Электрочастицы передвигаются с помощью позитивно заряженных ионов водорода, которые способны перемещаться в толще воды.
От чего зависит электропроводность жидкости
Электропроводность H2 O зависит от таких факторов, как:
- наличие и концентрация ионных примесей (минерализация);
- природа ионов;
- температура жидкости;
- вязкость воды.
Первые два фактора являются определяющими. Поэтому вычислив значение электропроводности жидкости, мы сможем судить о степени ее минерализации.
В природе не существует чистой воды. Даже родниковая представляет собой некий раствор солей, металлов и других электролитных примесей. Это прежде всего ионы Na+, K+, Ca2 +, Cl-, SO4 2-, HCO3 -. Также в ее состав могут входить слабые электролиты, которые неспособны сильно изменить свойство проводить ток. К ним относятся Fe3 +, Fe2 +, Mn2 +, Al3 +, NO3 -, HPO4 – и другие. Сильное влияние на электропроводность они способны оказать только в случае высокой концентрации, как, например, это бывает в сточных водах с отходами производства. Интересно, что наличие примесей в воде, которая находится в состоянии льда, не влияет на ее способность проводить электричество.
Электропроводность морской воды
Морская вода способна лучше проводить электрический ток, чем пресная. Это объясняется наличием в ней растворенной соли NaCl, которая является хорошим электролитом. Механизм увеличения проводимости можно описать следующим образом:
- Хлорид натрия при растворении в воде распадается на ионы Na+ и Cl-, которые имеют разные заряды.
- Ионы Na+притягивают электроны, так как имеют противоположный заряд.
- Движение ионов натрия в толще воды приводит к перемещению электронов, что, в свою очередь, ведет к возникновению электрического тока.
Таким образом, электропроводность воды определяется наличием в ней солей и других примесей. Чем их меньше, тем ниже способность проводить электрический ток. У дистиллированной воды она практически нулевая.
Измерение электропроводности
Измерение электропроводности растворов осуществляется с помощью кондуктометров. Это специальные приборы, принцип действия которых основан на анализе соотношения электропроводности и концентрации примесей-электролитов. На сегодняшний день существует множество моделей, которые способны измерять электропроводность не только высококонцентрированных растворов, но и чистой дистиллированной воды.
Теплопроводность
Теплопроводность – это способность физического вещества проводить тепло от нагретых частей к более холодным. Вода, как и другие вещества, обладает таким свойством. Передача тепла происходит либо от молекулы к молекуле H2 O, что представляет собой молекулярный тип теплопроводности, либо при перемещении потоков жидкости – турбулентный тип.
Теплопроводность воды в несколько раз выше, чем у других жидких веществ, за исключением расплавленных металлов – у них этот показатель еще более высокий.
Способность воды проводить тепло зависит от двух факторов: давления и температуры. При увеличении давления показатель проводимости растет, при повышении температуры до 150 °C растет, затем начинает снижаться.
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.
Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества и в общем случае зависит от температуры, давления и рода вещества. В большинстве случаев коэффициент теплопроводности для различных материалов определяется экспериментально с помощью различных методов. Большинство из них основано на измерении теплового потока и градиента температур в исследуемом веществе. Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м×К), при этом определяется из соотношения: из которого следует, что коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице. Примерные значения коэффициента теплопроводности различных веществ показаны нарис. 1.4Так как тела могут иметь различную температуру, а при наличии теплообмена и в самом теле температура будет распределена неравномерно, т.е. в первую очередь важно знать зависимость коэффициента теплопроводности от температуры. Опыты показывают, что для многих материалов с достаточной для практики точностью зависимость коэффициента теплопроводности от температуры можно принять линейной: где λ 0 - значение коэффициента теплопроводности при температуре t 0 ; b - постоянная, определяемая опытным путём.
Коэффициент
теплопроводности газов.
Согласно
кинетической теории перенос теплоты
теплопроводностью в газах при обычных
давлениях и температурах определяется
переносом кинетической энергии
молекулярного движения в результате
хаотического движения и столкновения
отдельных молекул газа. При этом
коэффициент теплопроводности определяется
соотношением:
где-
средняя скорость перемещения молекул
газа;-
средняя длина свободного пробега молекул
газа между соударениями;-
теплоёмкость газа при постоянном
объёме;-
плотность газа. С увеличением давления
в равной мере увеличивается плотность,
уменьшается длина пробегаи
произведениесохраняется
постоянным. Поэтому коэффициент
теплопроводности заметно не меняется
с изменением давления. Исключение
составляют очень малые (меньше 2,66×10 3 Па)
и очень большие (2×10 9 Па)
давления. Средняя скорость перемещения
молекул газа зависит от температуры:
где
R μ -
универсальная газовая постоянная,
равная 8314,2 Дж/(кмоль×К); μ - молекулярная
масса газа; Т - температура, К. Теплоемкость
газов возрастает с повышением температуры.
Этим объясняется тот факт, что
коэффициент теплопроводности для газов
с повышением температуры возрастает.
Коэффициент теплопроводности λ газов
лежит в пределах от 0,006 до 0,6 Вт/(м×К). На
рис. 1.5 представлены результаты измерений
коэффициента теплопроводности
различных газов, проведенных Н. Б.
Варгафтиком.
Среди газов резко
выделяются своим коэффициентом
теплопроводности гелий и водород.
Коэффициент теплопроводности у них в
5-10раз больше, чем у других газов. Это
наглядно видно на рис. 1.6. Молекулы гелия
и водорода обладают малой массой, а
следовательно, имеют большую среднюю
скорость перемещения, чем и объясняется
их высокий коэффициент
теплопроводности.
Коэффициенты
теплопроводности водяного пара и других
реальных газов, существенно отличающихся
от идеальных, сильно зависят также от
давления. Для газовых смесей коэффициент
теплопроводности не может быть определён
по закону аддитивности, его нужно
определять опытным путём.
Рис.1.5 Коэффициенты теплопроводности газов.
1-водяной пар; 2-двуокись углерода; 3-воздух; 4-аргон; 5-кислород; 6-азот.
Рис. 1.6 Коэффициенты теплопроводности гелия и водорода.
Коэффициент
теплопроводности жидкостей.
Механизм
распространения теплоты в капельных
жидкостях можно представить как перенос
энергии путем нестройных упругих
колебаний. Такое теоретическое
представление о механизме передачи
теплоты в жидкостях, выдвинутое А. С.
Предводителевым, было использовано Н.
Б. Варгафтиком для описания опытных
данных по теплопроводности различных
жидкостей. Для большинства жидкостей
теория нашла хорошее подтверждение. На
основании этой теории была получена
формула для коэффициента теплопроводности
следующего вида:
где-
теплоёмкость жидкости при постоянном
давлении;-
плотность жидкости; μ - молекулярная
масса. Коэффициент А, пропорциональный
скорости распространения упругих волн
в жидкости, не зависит от природы
жидкости, но зависит от температуры,
при этом Ас р ≈const.
Так как плотность ρ жидкости с повышением
температуры убывает, то из уравнения
(1.21) следует, что для жидкостей с постоянной
молекулярной массой (неассоциированные
и слабо ассоциированные жидкости) с
повышением температуры коэффициент
теплопроводности должен уменьшаться.
Для жидкостей, сильно ассоциированных
(вода, спирты и т. д.) в формулу (1.21) нужно
ввести коэффициент ассоциации, учитывающий
изменение молекулярной массы. Коэффициент
ассоциации зависит также от температуры,
и поэтому при различных температурах
он может влиять на коэффициент
теплопроводности по-разному. Опыты
подтверждают, что для большинства
жидкостей с повышением температуры
коэффициент теплопроводности λ убывает,
исключение составляют вода и глицерин
(рис. 1.7). Коэффициент теплопроводности
капельных жидкостей лежит примерно в
пределах от 0,07 до 0,7Вт/(м×К). При повышении
давления коэффициенты теплопроводности
жидкостей возрастают.
Рис. 1.7 Коэффициенты теплопроводности различных жидкостей.
1-вазелиновое масло; 2-бензол; 3-ацетон; 4-касторовое масло; 5-спирт этиловый; 6-спирт метиловый; 7-глицерин; 8-вода.
Коэффициент теплопроводности твердых тел. В металлах основным передатчиком теплоты являются свободные электроны, которые можно уподобить идеальному одноатомному газу. Передача теплоты при помощи колебательных движений атомов или в виде упругих звуковых волн не исключается, но ее доля незначительна по сравнению с переносом энергии электронным газом. Вследствие движения свободных электронов происходит выравнивание температуры во всех точках нагревающегося или охлаждающегося металла. Свободные электроны движутся как из областей, более нагретых, в области, менее нагретые, так и в обратном направлении. В первом случае они отдают энергию атомам, во втором отбирают ее. Так как в металлах носителем тепловой энергии являются электроны, то коэффициенты тепло- и электропроводности пропорциональны друг другу. При повышении температуры вследствие усиления тепловых неоднородностей рассеивание электронов увеличивается. Это влечет за собой уменьшение коэффициентов тепло- и электропроводности чистых металлов (рис. 1.8). При наличии разного рода примесей коэффициент теплопроводности металлов резко убывает. Последнее можно объяснить увеличением структурных неоднородностей, которое приводит к рассеиванию электронов. Так, например, для чистой меди λ= 396Вт/(м×К), для той же меди со следами мышьяка λ= 142Bт/(м×K). В отличие от чистых металлов коэффициенты теплопроводности сплавов при повышении температуры увеличиваются (рис. 1.9). В диэлектриках с повышением температуры коэффициент теплопроводности обычно увеличивается (рис. 1.10). Как правило, для материалов с большей плотностью коэффициент теплопроводности имеет более высокое значение. Он зависит от структуры материала, его пористости и влажности.
Рис. 1.8 Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры для некоторых чистых металлов.
Многие строительные и теплоизоляционные материалы имеют пористое строение (кирпич, бетон, асбест, шлак и др.), и применение закона Фурье к таким телам является в известной мере условным. Наличие пор в материале не позволяет рассматривать такие тела как сплошную среду. Условным является также коэффициент теплопроводности пористого материала. Эта величина имеет смысл коэффициента теплопроводности некоторого однородного тела, через которое при одинаковых форме, размерах и температурах на границах проходит то же количество теплоты, что и через данное пористое тело. Коэффициент теплопроводности порошкообразных и пористых тел сильно зависит от их плотности. Например, при возрастании плотности ρ от 400 до 800 кг/м 3 коэффициент теплопроводности асбеста увеличивается от 0,105 до 0,248 Вт/(м×К). Такое влияние плотности ρ на коэффициент теплопроводности объясняется тем, что теплопроводность заполняющего поры воздуха значительно меньше, чем твердых компонентов пористого материала. Эффективный коэффициент теплопроводности пористых материалов сильно зависит также от влажности. Для влажного материала коэффициент теплопроводности значительно больше, чем для сухого и воды в отдельности. Например, для сухого кирпича λ= 0,35, для воды λ = 0,60, а для влажного кирпича λ≈1,0 Вт/(м×К). Этот эффект может быть объяснен конвективным переносом теплоты, возникающим благодаря капиллярному движению воды внутри пористого материала, и частично тем, что абсорбционно связанная влага имеет другие характеристики по сравнению со свободной водой. Увеличение коэффициента теплопроводности зернистых материалов с изменением температуры можно объяснить тем, что с повышением температуры возрастает теплопроводность среды, заполняющей промежутки между зернами, а также увеличивается теплопередача излучением зернистого массива. Коэффициенты теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов имеют значения, лежащие примерно в пределах от 0,023 до 2,9Bт/(м×K). Материалы с низким значением коэффициента теплопроводности [меньше 0,25Вт/(м×К)], обычно применяемые для тепловой изоляции, называются теплоизоляционными.
Содержание раздела
Теплопроводность обусловлена зависящими от местной температуры движениями микроструктурных элементов. В жидкостях и газах микроструктурными движениями являются беспорядочные молекулярные движения, интенсивность которых возрастает с увеличением температуры. В твердых металлах при средних температурах передача тепла происходит вследствие движения свободных электронов. В неметаллических твердых телах теплопроводность осуществляется упругими акустическими волнами, образующимися вследствие смещений всех молекул и всех атомов из их равновесных положений. Выравнивание температуры из-за теплопроводности понимают, как переход к беспорядочному распределению накладывающихся друг на друга волн, при котором распределение энергии колебаний равномерно во всем теле. В практических условиях теплопроводность в наиболее чистом виде наблюдается в твердых телах.
В основе теории теплопроводности лежит закон Фурье, связывающий перенос тепла внутри тела с температурным состоянием в непосредственной близости от рассматриваемого места – выражается следующим образом:
dQ/dτ= - λF*dt/dl,
где: dQ/dτ – скорость перехода тепла (количество тепла за единицу времени); F – площадь сечения, нормального к направлению теплового потока; dt/dl – изменение температуры в направлении теплового потока, т.е. температурный градиент.
Коэффициент λ выражается в Вт/м⋅К (ккал/м⋅час⋅град), называется коэффициентом теплопроводности, он зависит от физико-химических свойств материала и температуры материала. Коэффициент λ показывает сколько тепла пойдет в час через материал поверхностью в 1 м 2 , толщиной в 1 м при разности температур в 1°. В табл. 7.15; 7.16 приведены значения коэффициентов теплопроводности металлов, воздуха, водяного пара, воды при различных температурах. Теплопроводность огнеупоров и теплоизоляционных материалов см. раздел 10.
Воздух проводит тепло примерно в 100 раз меньше, чем твердые тела. Вода проводит тепло примерно в 25 раз больше, чем воздух. Влажные материалы проводят тепло лучше, чем сухие. Наличие примесей, особенно в металлах, может вызвать изменение теплопроводности на 50–75%.
Стационарная теплопроводность. Теплопроводность называется стационарной, если вызвавшая ее разность температур ∆t сохраняется неизменной.
Количество тепла Q, прошедшее через материал (стенку) путем теплопроводности, зависит от толщины материала (стенки) – S, м; разности температур ∆t,°С; поверхности – F, м 2 и определяется уравнением:
Q = λ (t 1 – t 2)/S , Вт (ккал/час).
Коэффициент теплопередачи здесь будет равен λ/S , т.е. он прямо пропорционален коэффициенту теплопроводности λ и обратно пропорционален толщине стенки – S.
Нестационарная теплопроводность. Теплопроводность называется нестационарной, если вызывающая ее разность температур ∆t является величиной переменной.
Скорость прогрева твердых тел прямо пропорциональна коэффициенту теплопроводности материала ë и обратно пропорциональна объемной теплоемкости Сρ, характеризующей аккумулирующую способность, отношение которых называется коэффициентом температуропроводности:
a = λ/Сρ , м 2 /час.
Для процессов нестационарной теплопроводности коэффициент температуропроводности «а» имеет такое же значение, как коэффициент теплопроводности «λ» при стационарном режиме теплопередачи.
Продолжительность прогрева стенки с достаточной для технических расчетов точностью можно определить по формуле Грум-Гржимайло:
τ ≈ 0,35 S 2 /a, час, где: S – толщина стенки; а – коэффициент температуропроводности (для шамота 0,0015–0,0025 м 2 /час).
Продолжительность прогрева кладки из шамотного огнеупорного кирпича: τ ≈ 175 ⋅ S 2 , час.
Глубину прогрева стенки любой толщины и при любом изменении температуры поверхности можно определить по формуле:
S ПР = 0,17 ⋅ 10 -3 t П.СР ⋅ √τ, м,
где: t П.СР – средняя температура поверхности за период нагрева в °С.
Если S ПР будет больше, чем толщина материала (стенки) S, то наступает стационарный процесс. Если S ПР < S, то количество тепла, аккумулированное стенкой Q АКК. можно определить по формуле Грум-Гржимайло:
Q АКК. = 0,56 ⋅ t ПОВ. √t П.СР ⋅ τ , ккал/м 2 ⋅ период.
Q АКК. = 2,345 ⋅ t ПОВ. √t П.СР ⋅ τ , кДж/м 2 ⋅ период.
Здесь t ПОВ. – температура поверхности стенки в °С к концу периода нагрева; τ – час.
Таблица 7.15. Теплопроводность металлов, значения ë даны в Вт/м ⋅ К (ккал/м ⋅ ч ⋅ град)| Металлы и сплавы | Температура плавления, °С | Температура, °С | |||||
| 0 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Алюминий | 659 | 202,4 (174) | 204,7 (176) | 214,6 (184,5) | 230,3 (198) | 248,9 (214) | - |
| Железо | 1535 | 60,5 (52,0) | 55,2 (47,5) | 51,8 (44,5) | 48,4 (41,6) | 45,0 (38,7) | 39,8 (34,2) |
| Латунь | 940 | 96,8 (83,2) | 103,8 (89,2) | 108,9 (93,6) | 114,0 (98,0) | 115,5 (99,3) | - |
| Медь | 1080 | 387,3 (333) | 376,8 (324) | 372,2 (320) | 366,4 (315) | 508,6 (312) | 358,2 (308) |
| Никель | 1450 | 62,2 (53,5) | 58,5 (50,3) | 57,0 (49) | 55,2 (47,5) | - | - |
| Олово | 231 | 62,2 (53,5) | 58,5 (50,3) | 57,0 (49) | - | - | - |
| Свинец | 327 | 34,5 (29,7) | 34,5 (29,7) | 32,9 (28,3) | 31,2 (26,8) | - | - |
| Серебро | 960 | 418,7 (360) | 411,7 (354) | - | - | - | - |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Сталь (1%С) | 1500 | - | 44,9 (38,6) | 44,9 (38,6) | 43,3 (37,2) | 39,8 (34,2) | 38,0 (32,7) |
| Тантал | 2900 | 55,2 (47,5) | - | - | - | - | - |
| Цинк | 419 | 112,2 (96,5) | 110,5 (95,0) | 107,1 (92,1) | 101,9 (87,6) | 93,4 (80,3) | - |
| Чугун | 1200 | 50,1 (43,1) | 48,4 (41,6) | - | - | - | - |
| Чугун высококремнистый | 1260 | 51,9 (44,6) | - | - | - | - | - |
| Висмут | 271,3 | 8,1 (7,0) | 6,7 (5,8) | - | - | - | - |
| Золото | 1063 | 291,9 (251,0) | 294,2 (253,0) | - | - | - | - |
| Кадмий | 320,9 | 93,0 (80,0) | 90,5 (77,8) | - | - | - | - |
| Магний | 651 | 159,3 (137) | - | - | - | - | - |
| Платина | 1769,3 | 69,5 (59,8) | 72,4 (62,3) | - | - | - | - |
| Ртуть | - 38,87 | 6,2 (5,35) | 9,87 (8,33) | - | - | - | - |
| Сурьма | 630,5 | 18,4 (15,8) | 16,7 (14,4) | - | - | - | - |
| Константан (60%Cu + 40%Ni) | 22,7 (19,5) | 26,7 (23,0) | - | - | - | - | |
| Манганин (84%Cu + 4%Ni + + 12%Mn) | 22,1 (19,0) | 26,3 (22,6) | - | - | - | - | |
| Никелевое серебро | 29,1 (25,0) | 37,2 (32,0) | - | - | - | - | |
| Среда | Температура °С | ||||
| 0 | 100 | 200 | 300 | 500 | |
| Воздух | 0,0237 (0,0204) | 0,03 (0,0259) | 0,0365 (0,0314) | 0,0420 (0,0361) | 0,0526 (0,0452) |
| Водяной пар | - | 0,0234 (0,0201) | 0,03 (0,0258) | 0,0366 (0,0315) | - |
| 0 | 20 | 30 | 70 | 100 | |
| Вода | 0,558 (0,48) | 0,597 (0,513) | 0,644 (0,554) | 0,663 (0,57) | 0,682 (0,586) |
Для определения теплопотерь через стены топки, через неэкранированные стены котла и для определения температур наружной поверхности используют графики и диаграммы см. Приложения.
Нормы тепловых потерь и предельные толщины тепловой изоляции приведены в таблице 7.17; 7.18; 7.19.
Таблица 7.17. Предельные толщины тепловой изоляции для трубопроводов, прокладываемых в помещениях и на открытом воздухе Таблица 7.18. Предельные толщины тепловой изоляции для водяных теплопроводов, прокладываемых в непроходных каналах Таблица 7.19. Нормы тепловых потерь изолированными поверхностями внутри помещений электростанций с расчетной температурой воздуха 25° С, Вт/м| Наружный диаметр трубы,мм | Температура теплоносителя, °С | Наружный диаметр трубы,мм | |||||||||||||
| 50 | 75 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 | 500 | 550 | 600 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 12 14 15 16 17 19 26 31 | 19 23 26 28 30 32 38 47 | 27 33 36 38 43 45 52 62 | 35 41 46 50 57 61 68 76 | 43 50 57 62 68 72 79 88 | 58 68 76 84 91 95 105 117 | 74 86 98 105 115 122 130 146 | 90 105 119 126 140 147 159 177 | 105 122 138 149 164 173 186 205 | 121 139 158 169 188 198 212 234 | 136 158 170 192 218 225 238 263 | 152 175 199 213 236 250 264 291 | 168 194 221 235 262 275 291 331 | 183 213 242 255 285 300 318 349 | 20 32 48 57 76 89 108 133 | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
| 36 40 44 49 52 58 62 70 77 95 110 128 157 174 244 308 337 58 | 52 58 60 69 76 81 87 96 105 128 145 168 192 221 303 372 425 68 | 70 77 81 91 99 107 114 127 139 163 186 209 238 262 349 431 447 76 | 84 93 99 110 121 130 139 155 169 198 221 256 279 308 407 500 570 85 | 98 108 116 129 142 152 163 180 198 227 256 279 320 349 465 580 630 93 | 130 144 154 166 186 204 221 238 256 294 325 366 400 430 582 700 768 110 | 163 178 192 213 233 254 273 294 314 360 395 448 483 523 680 837 907 127 | 193 212 228 254 279 303 326 353 379 430 470 518 558 610 790 965 1045 144 | 213 247 264 295 324 349 374 406 435 495 547 600 645 700 910 1090 1190 160 | 256 282 302 336 369 400 430 465 500 565 616 675 727 780 998 1230 1340 178 | 287 318 337 375 413 448 482 520 558 628 686 750 808 866 1130 1245 1475 195 | 318 350 371 416 460 498 536 577 618 700 762 825 885 948 1235 1485 1630 210 | 349 384 410 458 505 547 586 633 680 767 830 900 970 1035 1340 1625 1750 228 | 378 416 445 498 550 598 645 693 738 825 900 975 1045 1115 1450 1740 1910 244 | 159 194 219 273 325 377 426 478 529 630 720 820 920 1020 1420 1820 2000 Плоская стенка, м 2 | |
Примечание:
Для оборудования и трубопроводов, работающих на отборах пара и дренажах, значения, полученные по таблице, умножают на следующие коэффициенты:
Диаметр, мм 32 108 273 720 1020 2000 (и плоская стенка)
Коэффициент 1,01 1,06 1,09 1,12 1,16 1,22
Кто знает формулу воды еще со времен школьной поры? Конечно же, все. Вероятно, что из всего курса химии у многих, кто потом не изучает ее специализированно, только и остается знание того, что обозначает формула H 2 O. Но сейчас мы максимально подробно и глубоко постараемся разобраться, Какие ее главные свойства и почему именно без нее жизнь на планете Земля невозможна.
Вода как вещество
Молекула воды, как мы знаем, состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Ее формула записывается так: H 2 O. Данное вещество может иметь три состояния: твердое - в виде льда, газообразное - в виде пара, и жидкое - как субстанция без цвета, вкуса и запаха. Кстати, это единственное вещество на планете, которое может существовать во всех трех состояниях одновременно в естественных условиях. Например: на полюсах Земли - лед, в океанах - вода, а испарения под солнечными лучами - это пар. В этом смысле вода аномальна.
Еще вода - это самое распространенное вещество на нашей планете. Она покрывает поверхность планеты Земля почти на семьдесят процентов - это и океаны, и многочисленные реки с озерами, и ледники. Большая часть воды на планете соленая. Она непригодна для питья и для ведения сельского хозяйства. Пресная вода составляет всего два с половиной процента от всего количества воды на планете.
Вода - это очень сильный и качественный растворитель. Благодаря этому химические реакции в воде проходят с огромной скоростью. Это же ее свойство влияет на обмен веществ в человеческом организме. Общеизвестный факт, что тело взрослого человека на семьдесят процентов состоит из воды. У ребенка этот процент еще выше. К старости этот показатель падает с семидесяти до шестидесяти процентов. Кстати, эта особенность воды наглядно демонстрирует, что основой жизни человека есть именно она. Чем воды в организме больше - тем он здоровее, активнее и моложе. Потому ученые и медики всех стран неустанно твердят, что пить нужно много. Именно воду в чистом виде, а не заменители в виде чая, кофе или других напитков.
Вода формирует климат на планете, и это не преувеличение. Теплые течения в океане обогревают целые континенты. Это происходит за счет того, что вода поглощает очень много солнечного тепла, а потом отдает его, когда начинает остывать. Так она регулирует температуру на планете. Многие ученые говорят, что Земля давно бы остыла и стала камнем, если бы не наличие такого количества воды на зеленой планете.
Свойства воды
У воды есть много очень интересных свойств.
Например, вода - это самое подвижное вещество после воздуха. Из школьного курса многие, наверняка, помнят такое понятие, как круговорот воды в природе. Например: ручеек испаряется под воздействием прямых солнечных лучей, превращается в водяной пар. Далее, этот пар посредством ветра, переносится куда-либо, собирается в облака, а то и в и выпадает в горах в виде снега, града или дождя. Далее, с гор ручеек вновь сбегает вниз, частично испаряясь. И так - по кругу - цикл повторяется миллионы раз.
Также у воды очень высокая теплоемкость. Именно из-за этого водоемы, тем более океаны, очень медленно остывают при переходе от теплого сезона или времени суток к холодному. И наоборот, при повышении температуры воздуха вода очень медленно нагревается. За счет этого, как и упоминалось выше, вода стабилизирует температуру воздуха на всей нашей планете.
После ртути вода обладает самым высоким значением поверхностного натяжения. Нельзя не заметить, что случайно пролитая на ровной поверхности капля иногда становится внушительным пятнышком. В этом проявляется тягучесть воды. Еще одно свойство проявляется у нее при понижении температуры до четырех градусов. Как только вода остывает до этой отметки, она становится легче. Поэтому лед всегда плавает на поверхности воды и застывает корочкой, покрывая собой реки и озера. Благодаря этому в водоемах, замерзающих зимой, не вымерзает рыба.
Вода, как проводник электроэнергии
Вначале стоит узнать о том, что такое электропроводность (воды в том числе). Электропроводность - это способность какого-либо вещества проводить через себя электрический ток. Соответственно, электропроводность воды - это возможность воды проводить ток. Эта способность непосредственно зависит от количества солей и иных примесей в жидкости. Например, электропроводность дистиллированной воды почти сведена к минимуму из-за того, что такая вода очищена от различных добавок, которые так нужны для хорошей электропроводности. Отличный проводник тока - это вода морская, где концентрация солей очень велика. Еще электропроводность зависит от температуры воды. Чем значение температуры выше - тем большая электропроводность у воды. Эта закономерность выявлена благодаря множественным опытам ученых-физиков.
Измерение электропроводности воды
Есть такой термин - кондуктометрия. Так называют один из методов электрохимического анализа, основанного на электрической проводимости растворов. Применяют этот метод для определения концентрации в растворах солей или кислот, а также для контроля состава некоторых промышленных растворов. Вода обладает амфотерными свойствами. То есть в зависимости от условий она способна проявлять как кислотные, так и основные свойства - выступать и в роли кислоты, и в роли основания.
Прибор, который используют для этого анализа, имеет очень сходное название - кондуктометр. С помощью кондуктометра измеряется электропроводность электролитов, находящихся в растворе, анализ которого ведется. Пожалуй, стоит объяснить еще один термин - электролит. Это вещество, которое при растворении или плавлении распадается на ионы, за счет чего впоследствии проводится электрический ток. Ион - это электрически заряженная частица. Собственно, кондуктометр, взяв за основу определенные единицы электропроводности воды, определяет ее удельную электропроводность. То есть он определяет электропроводность конкретного объема воды, взятого за начальную единицу.
Еще до начала семидесятых годов прошлого столетия для обозначения проводимости электричества использовали единицу измерения "мо", это была производная от другой величины - Ома, являющейся основной единицей сопротивления. Электропроводимость - это величина, обратно пропорциональная сопротивлению. Сейчас же она измеряется в Сименсах. Получила свое название данная величина в честь ученого-физика из Германии - Вернера фон Сименса.
Сименс
Сименс (обозначаться может как См, так и S) - это величина, обратная Ому, являющаяся единицей измерения электрической проводимости. Один См равен любого проводника, сопротивление которого равно 1 Ом. Выражается Сименс через формулу:
- 1 См = 1: Ом = А: В = кг −1 ·м −2 ·с³А², где
А - ампер,
В - вольт.
Теплопроводность воды
Теперь поговорим о том, - это способность какого-либо вещества переносить тепловую энергию. Суть явления заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, что определяют температуру данного тела или вещества, передается другому телу или веществу при их взаимодействии. Иначе говоря, теплопроводность - это теплообмен между телами, веществами, а также между телом и веществом.
Теплопроводность у воды также очень высока. Люди ежедневно используют это свойство воды, сами того не замечая. Например, наливая холодную воду в тару и остужая в ней напитки или продукты. Холодная вода забирает тепло у бутылки, контейнера, взамен отдавая холод, возможна и обратная реакция.
Теперь это же явление легко можно представить в масштабе планеты. Океан нагревается в течение лета, а потом - с наступлением холодов, медленно остывает и отдает свое тепло воздуху, тем самым обогревая материки. Остыв за зиму, океан начинает очень медленно нагреваться по сравнению с землей и отдает свою прохладу изнывающим от летнего солнца материкам.
Плотность воды
Выше рассказывалось о том, что рыба живет зимой в водоеме благодаря тому, что вода застывает корочкой по всей их поверхности. Мы знаем, что в лед вода начинает превращаться при температуре в ноль градусов. Из-за того, что плотность воды больше, чем плотность всплывает и застывает по поверхности.
свойства воды
Также вода при разных условиях способна быть и окислителем, и восстановителем. То есть вода, отдавая свои электроны, заряжается положительно и окисляется. Или же приобретает электроны и заряжается отрицательно, значит, восстанавливается. В первом случае вода окисляется и называется мертвой. Она обладает очень мощными бактерицидными свойствами, только вот пить ее не надо. Во втором случае вода живая. Она бодрит, стимулирует организм на восстановление, несет энергию клеткам. Разница между этими двумя свойствами воды выражается в термине "окислительно-восстановительный потенциал".
С чем вода способна реагировать
Вода способна реагировать почти со всеми веществами, которые существуют на Земле. Единственное, что для возникновения этих реакций нужно обеспечить подходящую температуру и микроклимат.
Например, при комнатной температуре вода отлично реагирует с такими металлами, как натрий, калий, барий - их называют активными. С галогенами - это фтор, хлор. При нагревании вода отлично реагирует с железом, магнием, углем, метаном.
При помощи различных катализаторов вода вступает в реакцию с амидами, эфирами карбоновых кислот. Катализатор - это вещество, словно бы подталкивающее компоненты к взаимной реакции, ускоряющее ее.
Есть ли вода где-либо еще, кроме Земли?
Пока ни на одной планете Солнечной системы, кроме Земли, воды не обнаружено. Да, предполагают о ее присутствии на спутниках таких планет-гигантов, как Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран, но пока точных данных у ученых нет. Существует еще одна гипотеза, пока не проверенная окончательно, о подземных водах на планете Марс и на спутнике Земли - Луне. Касательно Марса вообще выдвинуто ряд теорий о том, что когда-то на этой планете был океан, и его возможная модель даже проектировалась учеными.
Вне Солнечной системы существует множество больших и малых планет, где, по догадкам ученых, может быть вода. Но пока нет ни малейшей возможности убедиться в этом наверняка.
Как используют тепло- и электропроводность воды в практических целях
Ввиду того, что вода обладает высоким значением теплоемкости, ее используют в теплотрассах в качестве теплоносителя. Она обеспечивает передачу тепла от производителя к потребителю. Как отличный теплоноситель воду используют и многие атомные электростанции.
В медицине лед используют для охлаждения, а пар - для дезинфекции. Так же лед используют в системе общественного питания.
Во многих ядерных реакторах воду используют как замедлитель, для успешного протекания цепной ядерной реакции.
Воду под давлением используют для раскалывания, проламывания и даже для резки горных пород. Это активно используется при строительстве туннелей, подземных помещений, складов, метро.
Заключение
Из статьи следует, что вода по своим свойствам и функциям - самое незаменимое и поразительное вещество на Земле. Зависит ли жизнь человека или любого другого живого существа на Земле от воды? Безусловно, да. Способствует ли это вещество ведению научной деятельности человеком? Да. Обладает ли вода электропроводностью, теплопроводностью и иными полезными свойствами? Ответ тоже "да". Иное дело, что воды на Земле, а тем более воды чистой, все меньше и меньше. И наша задача - сохранить и обезопасить ее (а значит, и всех нас) от исчезновения.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства