Какие свойства воды зависят от температуры
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/м3, 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/м3. 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/м3 и г/мл.
В таблице приведены значения плотности воды в кг/м3 и в г/мл (г/см3), 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/м3 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/м3. Плотность соленой воды и водных растворов солей можно узнать в этой таблице.
| t, °С | ρ, кг/м3 | ρ, г/мл | t, °С | ρ, кг/м3 | ρ, г/мл | t, °С | ρ, кг/м3 | 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/м3, а при ее нагревании до 90°С, величина плотности снижается до значения 965,3 кг/м3. 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/м3, 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 Cp, 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/м3, а при температуре кипения снижается до 958,4 кг/м3.
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.
| t, °С → | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ρ, кг/м3 | 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 |
| Cp, 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·108, м2/с | 13,2 | 13,7 | 14,3 | 14,9 | 15,3 | 15,7 | 16 | 16,3 | 16,6 | 16,8 | 16,9 |
| μ·106, Па·с | 1788 | 1306 | 1004 | 801,5 | 653,3 | 549,4 | 469,9 | 406,1 | 355,1 | 314,9 | 282,5 |
| ν·106, м2/с | 1,789 | 1,306 | 1,006 | 0,805 | 0,659 | 0,556 | 0,478 | 0,415 | 0,365 | 0,326 | 0,295 |
| β·104, 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·104, 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 108 , вязкость в степени 106 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/м3;
- удельная энтальпия воды h, кДж/кг;
- удельная (массовая) теплоемкость Cp, кДж/(кг·град);
- теплопроводность λ, Вт/(м·град);
- температуропроводность a, м2/с;
- вязкость динамическая μ, Па·с;
- вязкость кинематическая ν, м2/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/м3 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).
| t, °С | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 50 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| λ, Вт/(м·град) | 0,569 | 0,572 | 0,574 | 0,587 | 0,599 | 0,609 | 0,618 | 0,627 | 0,635 | 0,648 |
| t, °С | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | 85 | 90 | 95 | 100 |
| λ, Вт/(м·град) | 0,654 | 0,659 | 0,664 | 0,668 | 0,671 | 0,674 | 0,677 | 0,68 | 0,682 | 0,683 |
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 103. Не забудьте разделить на 1000! Размерность теплопроводности воды в таблице Вт/(м·град).
Источники:
- Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей.
- Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.
- Чубик И.А., Маслов А.М. Справочник по теплофизическим характеристикам пищевых продуктов и полуфабрикатов. М.: «Пищевая промышленность», 1970 — 184 с.
- ГСССД 2-77 Вода. Плотность при атмосферном давлении и температурах от 0 до 100°С. М.: Издательство стандартов, 1978 — 6 с.
Источник
Благодаря своим уникальным физическим и химическим
свойствам, часто аномальным, вода сделала возможной жизнь на Земле. Так в чем
состоят эти уникальные характеристики?
Физические свойства воды
Вода имеет высокую удельную теплоемкость, т.е. ей нужно
много тепла, чтобы нагреться, и потребуется много времени, чтобы потерять
накопленное тепло и остыть. Вот почему она используется в системах охлаждения
(например, в автомобильных радиаторах или для охлаждения промышленного
оборудования). Эта характеристика объясняет также то, почему в прибрежных (или
озерных) регионах температура воздуха мягче: в этих местах, когда времена года
меняются, температура воды «смягчает» температуру воздуха, так как она уменьшается
или увеличивается медленнее.
При ответе на вопрос: какие физические свойства воды
определяют ее особое биологическое значение, первым делом нужно вспомнить, что
она имеет высокое поверхностное натяжение. Это означает, что после наливания на
гладкую поверхность она имеет тенденцию образовывать сферические капли, а не
растекаться в тонкую пленку. И это свойство во многом объясняет высокую
биологическую активность воды. Без гравитации капля ее была бы совершенно
сферической. Поверхностное натяжение позволяет растениям поглощать воду,
содержащуюся в почве, через корни. И поверхностное натяжение делает кровь такой
«проникающей» через ткани нашего организма.
Вода обычно находится в жидком состоянии, но может легко
стать твердой или газообразной. Чистая вода переходит из жидкой в твердую, то
есть замерзает при 0° С, а на уровне моря она кипит при 100 ° С (чем выше
уровень, тем ниже температура, при которой вода начинает кипеть). Значения
кипения и замерзания воды берут в качестве контрольной точки для калибровки
термометров: в градусах Цельсия 0 ° по шкале Цельсия — это точка замерзания, а
100 ° — это точка кипения.
При замерзании вода расширяется, то есть ее плотность
уменьшается, а объем остается неизменным: поэтому лед плывет по поверхности или
лопается бутылка, наполненная водой и помещенная в морозильник.
Вода является особым природным ресурсом, поскольку она
является единственным на Земле веществом, которое можно найти во всех трех
физических состояниях в зависимости от температуры окружающей среды: жидкой,
твердой (лед) и газообразной (пар).
Химические свойства воды
Химическая формула молекулы воды — H2O: два атома водорода
(H2) связаны с одним атомом кислорода (O). Электроны атома (частицы с
отрицательным зарядом) устанавливают связи между собой. Кислород способен
держать их ближе к нему, чем водород. Молекула эта оказывается заряженной
отрицательно вблизи атома кислорода и положительно вблизи атомов водорода.
Поскольку противоположности притягиваются, молекулы воды имеют тенденцию
соединяться вместе, как магниты.
Вода может растворять многие вещества
Воду называют универсальным растворителем, поскольку она
может растворять больше веществ, чем любая другая жидкость. И нам очень с этим
повезло: если бы не это химическое свойство, мы не могли бы выпить чашку
горячего подслащенного чая, потому что сахар остался бы на дне чашки. Вот
почему воды рек, ручьев, озер, морей и океанов, которые выглядят чистыми на
первый взгляд, на самом деле содержат огромное количество растворенных
элементов и минералов, выделяемых камнями или атмосферой.
Везде, где течет вода, над землей, под землей или внутри
нашего тела, вода растворяет в себе и несет чрезвычайно большое количество
различных веществ. Таким образом, она выполняет драгоценную задачу: переносить
иногда на большие расстояния вещества, с которыми она сталкивается на своем
пути. Причем, с водой при обычных климатических условиях не реагирует
большинство этих веществ.
Чистая вода, как и дистиллированная вода, имеет рН 7
(средний). Морская вода в основном щелочная, имеет рН около 8. Чистая вода
реагирует с немногими веществами, например, серой, некоторыми солями и
металлами. Также возможен гидролиз (распад) воды при реакции с какими-то
химическими веществами.
Вода может содержать огромное количество взвешенных частиц
разных веществ, в т.ч. и радиоактивных. Именно этим и объясняется превращение
чистой воды в радиоактивную. И в наш век вездесущей атомной энергетики глубокая
и своевременная дезактивация воды – уже глобальная проблема.
Физико-химические свойства воды
То, какими свойствами обладает чистая вода, во многих
случаях зависит от водородных связей внутри ее молекул. При сравнении этих
свойств со свойствами атомов или не связанных с водородом молекулярных
жидкостей с аналогичными размерами молекул некоторые особенности воды
заслуживают внимания:
- Точка плавления льда исключительно высока среди гидридов шестой основной группы.
- Во время таяния льда при атмосферном давлении объем вещества уменьшается на 8,2%. Это аномальное сокращение объема, ведь большинство веществ расширяется во время плавления. Снижению температуры замерзания способствует увеличение давления.
- Зависимость молярного объема жидкой воды от давления и температуры показывает крайности. Плотность жидкой воды имеет максимум при 3,98 ° С.
- Коэффициент теплового расширения α жидкой воды на порядок меньше по сравнению с другими молекулярными жидкостями. Изотермическая сжимаемость χT показывает, что для молекулярной жидкости вода довольно несжимаема.
- Динамическая вязкость воды выше, чем у сопоставимых, не связанных водородом жидкостей. Более того, зависимость вязкости от давления аномальна: вязкость уменьшается с давлением и достигает минимума около 60 МПа (это давление эквивалентно толще воды в 6 км).
- Поверхностное натяжение воды выше, чем у других жидкостей, включая большинство других жидкостей, связанных водородом. В диапазоне температур от 0 до 130°С вода жидкая.
- Теплопроводность увеличивается с ростом температуры. Жидкая вода обладает высокой удельной теплоемкостью при постоянном давлении, которое изменяется незначительно до 100°C.
- Энтальпия испарения воды аномально высока. Аналогично удельной теплоемкости, она почти в четыре раза выше, чем для других сопоставимых жидкостей, не связанных с водородом. Эта разница приписывается водородной связи. Кроме того, энтальпия испарения воды очень велика по сравнению с энтальпией таяния.
Тот факт, что вода увеличивается в объеме при замерзании,
приводит ко многим последствиям в природе. Именно вода и ее свойство легко
проникать в расщелины скал, когда она замерзает, приводит к разрушению скал.
Постепенно происходит физическое и химическое выветривание скальных пород. И, в
конечном итоге, физические свойства и химические функции воды сформировали
почву на нашей планете.
Тот факт, что вода имеет самую высокую плотность при 4°С, а
не в точке замерзания, имеет важное значение для термического расслоения и
циркуляции воды в природе. Это химико-физическое свойство воды приводит к
замерзанию водоемов от их поверхности в направлении дна. Это важно не только
для жизни внутренних водоемов, но и для океанов. Если бы самые холодные районы
океанов должны были замерзать снизу-вверх, то солнечной энергии, полученной за
время лета, было бы достаточно только для оттаивания самого верхнего слоя. Так
осуществляется круговорот энергии и материи, которая опирается на циркуляции
океанов частично или даже полностью.
Огромная удельная теплоемкость воды ответственна за его
способность хранить огромное количество энергии. Таким образом, водные потоки,
например, Гольфстрим, способны нести огромное количество тепла из более теплых
климатических зон в более холодные. Таким образом, океаны работают как огромные
термостаты. Не только климат Земли, но и температурное регулирование живых
организмов зависит от высокой теплоемкости воды. Это способствует, например,
поддержанию постоянной температуры тела у теплокровных организмов. Кроме того,
относительно высокая теплопроводность воды предотвращает серьезные локальные
колебания температуры.
Абсолютно чистая вода имеет электрическую проводимость 0,03
мкСм / см это связано с автопротолизом. Электропроводность, однако, на реальных
водоемах значительно выше, из-за растворенных ионных компонентов. Вода, будучи
сильным диэлектриком (водный диэлектрик – константа), является одним из самых
лучших растворителей для солей и газов, которые способны к сольволизу с
последующей диссоциацией (например, CO2).
Еще одна особенность воды, которая важна для
гидрологического цикла — ее энтальпия испарения. С этим тесно связана летучесть
воды. Она определяет количество воды, которое переходит в газовую фазу и может
транспортироваться в атмосферу.
Таким образом, можно сделать вывод, что вода уникальна в
физическом и химическом плане. Особые свойства воды сделали ее колыбелью и
абсолютным условием жизни на Земле. Зная основные характеристики этого
вещества, можно делать вывод: благодаря каким своим химическим и физико-химическим
свойствам вода стала жидкой основой жизни.
Источник