Удельная теплоемкость воды при различных температурах. Теплофизические свойства водяного пара: плотность, теплоемкость, теплопроводность

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 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 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!

Вода является одним из самых удивительных веществ. Несмотря на широкое распространение и повсеместное использование, она - настоящая загадка природы. Являясь одним из соединений кислорода, вода, казалось бы, должна иметь совсем низкими такие характеристики, как и замерзания, теплота парообразования и т. п. Но этого не происходит. Одна лишь теплоемкость воды, вопреки всему, чрезвычайно высока.

Вода способна поглощать огромное количество тепла, сама при этом практически не нагреваясь - в этом ее физическая особенность. воды выше теплоемкости песка примерно в пять раз, и в десять раз - железа. Поэтому вода является природным охладителем. Ее свойство накапливать большое количество энергии позволяет сглаживать колебания температуры на поверхности Земли и регулировать тепловой режим в рамках всей планеты, причем происходит это независимо от времени года.

Это уникальное свойство воды позволяет использовать ее в качестве охлаждающего вещества в промышленности и в быту. К тому же вода является общедоступным и сравнительно дешевым сырьем.

Что же понимается под теплоемкостью? Как известно из курса термодинамики, передача тепла происходит всегда от горячего к холодному телу. При этом речь идет о переходе определенного количества тепла, а температура обоих тел, являясь характеристикой их состояния, показывает направление этого обмена. В процессе металлического тела с водой равной массы при одинаковых исходных температурах металл меняет свою температуру в несколько раз больше воды.

Если принять за постулат основное утверждение термодинамики - из двух тел (изолированных от прочих), при теплообмене одно отдает, а другое получает равное количество тепла, то становится ясно, что у металла и воды совершенно разная теплоемкость.

Таким образом, теплоемкость воды (как и любого вещества) - это показатель, характеризующий способность данного вещества отдавать (или получать) какое-то при остывании (нагреве) на единицу температуры.

Удельной теплоемкостью вещества считается количество тепла, требуемое для того, чтобы нагреть единицу этого вещества (1 килограмм) на 1 градус.

Количество тепла, выделяемое или поглощаемое телом, равно произведению величин удельной теплоемкости, массы и разности температур. Измеряется оно в калориях. Одна калория - именно то количество тепла, которого достаточно, чтобы нагреть 1 г воды на 1 градус. Для сравнения: удельная теплоемкость воздуха - 0.24 кал/г ∙°С, алюминия - 0.22, железа - 0.11, ртути - 0.03.

Теплоемкость воды не является константой. С ростом температуры от 0 до 40 градусов она незначительно снижается (от 1,0074 до 0,9980), тогда как у всех остальных веществ в процессе нагревания эта характеристика растет. Кроме того, она может понижаться с ростом давления (на глубине).

Как известно, вода имеет три агрегатных состояния - жидкое, твердое (лед) и газообразное (пар). При этом удельная теплоемкость льда примерно в 2 раза ниже, чем у воды. В этом - основное отличие воды от других веществ, величины удельной теплоемкости которых в твердом и расплавленном состоянии не меняются. В чем же тут секрет?

Дело в том, что лед имеет кристаллическую структуру, которая при нагревании разрушается не сразу. Вода содержит небольшие частицы льда, состоящие из нескольких молекул и именуемые ассоциатами. При нагревании воды часть расходуется на разрушение водородных связей в этих образованиях. Этим и объясняется необычайно высокая теплоемкость воды. Полностью связи между ее молекулами разрушаются только при переходе воды в пар.

Удельная теплоемкость при температуре 100° С почти не отличается от таковой у льда при 0° С. Это еще раз подтверждает правильность данного объяснения. Теплоемкость пара, как и теплоемкость льда, в настоящее время изучены гораздо лучше, чем воды, в отношении которой ученые до сих пор не пришли к единому мнению.

Сегодня расскажем о том, что такое теплоемкость (воды в том числе), каких видов она бывает и где используется этот физический термин. Также покажем, насколько полезно значение этой величины для воды и пара, зачем нужно ее знать и как она влияет на нашу повседневную жизнь.

Понятие теплоемкости

Эта физическая величина настолько часто используется в окружающем мире и науке, что прежде всего надо рассказать о ней. Самое первое определение потребует от читателя некоторой подготовленности как минимум в дифференциалах. Итак, теплоемкость тела определяется в физике как отношение приращений бесконечно малого количества теплоты к соответствующему ему бесконечно малому количеству температуры.

Количество теплоты

Что такое температура, так или иначе, понимают почти все. Напомним, что «количество теплоты» - не просто словосочетание, а термин, обозначающий ту энергию, которую тело теряет или приобретает при обмене с окружающей средой. Измеряется эта величина в калориях. Данная единица знакома всем женщинам, которые сидят на диетах. Дорогие дамы, теперь вы знаете, что сжигаете на беговой дорожке и чему равен каждый съеденный (или оставленный на тарелке) кусок еды. Таким образом, любое тело, чья температура изменяется, испытывает увеличение или уменьшение количества теплоты. Соотношение этих величин и есть теплоемкость.

Применение теплоемкости

Однако строгое определение рассматриваемого нами физического понятия достаточно редко используется само по себе. Выше мы говорили, что оно весьма часто применяется в повседневной жизни. Те, кто в школе физику не любили, сейчас, наверное, недоумевают. А мы приподнимем завесу тайны и расскажем, что горячая (и даже холодная) вода в кране и в трубах отопления появляется только благодаря расчетам теплоемкости.

Погодные условия, которые определяют, можно ли уже открыть купальный сезон или пока стоит остаться на берегу, тоже учитывают эту величину. Любой прибор, связанный с нагревом или охлаждением (масляный радиатор, холодильник), все затраты на энергию при приготовлении еды (например, в кафе) или уличного мягкого мороженого оказываются под влиянием этих расчетов. Как можно понять, речь идет о такой величине, как теплоемкость воды. Глупо было бы предполагать, что это делают продавцы и обычные потребители, а вот инженеры, проектировщики, производители все учли и вложили соответствующие параметры в бытовую технику. Однако расчеты теплоемкости используются гораздо шире: в гидротурбинах и производстве цементов, в испытаниях сплавов для самолетов или железнодорожных составов, при строительстве, плавке, охлаждении. Даже исследования космоса опираются на формулы, содержащие эту величину.

Виды теплоемкости

Итак, во всех практических применениях используют относительную или удельную теплоемкость. Она определяется как количество теплоты (заметьте, никаких бесконечно малых величин), необходимое, чтобы нагреть единицу количества вещества на один градус. Градусы по шкале Кельвина и Цельсия совпадают, однако в физике принято называть эту величину в первых единицах. В зависимости от того, как выражается единица количества вещества, различают массовую, объемную и молярную удельную теплоемкости. Напомним, что один моль - это такое количество вещества, которое содержит примерно шесть на десять в двадцать третьей степени молекул. В зависимости от задачи применяется соответствующая теплоемкость, их обозначение в физике различно. Массовая теплоемкость обозначается как С и выражается в Дж/кг*К, объемная - С` (Дж/м 3 *К), молярная - С μ (Дж/моль*К).

Идеальный газ

Если решается задача об идеальном газе, то для него выражение другое. Напомним, у этого несуществующего в реальности вещества атомы (или молекулы) не взаимодействуют между собой. Данное качество кардинально меняет любые свойства идеального газа. Поэтому традиционные подходы к расчетам не дадут нужного результата. Идеальный газ нужен как модель для описания электронов в металле, например. Его теплоемкость определяется как число степеней свободы частиц, из которых он состоит.

Агрегатное состояние

Кажется, что для вещества все физические характеристики одинаковы во всех условиях. Но это не так. При переходе в другое агрегатное состояние (при таянии и замерзании льда, при испарении или застывании расплавленного алюминия), эта величина меняется рывком. Таким образом, теплоемкость воды и водяного пара различаются. Как мы увидим ниже, значительно. Эта разница сильно влияет на использование как жидкого, так и газообразного составляющего этого вещества.

Отопление и теплоемкость

Как уже заметил читатель, чаще всего в реальном мире фигурирует теплоемкость воды. Она источник жизни, без нее наше существование невозможно. Она нужна человеку. Поэтому с древних времен до современности всегда стояла задача доставки воды в дома и на производства или поля. Хорошо тем странам, у которых круглый год положительная температура. Древние римляне строили акведуки, чтобы снабжать этим ценным ресурсом свои города. А вот там, где есть зима, этот способ не подошел бы. Лед, как известно, имеет больший удельный объем, чем вода. Это значит, что, замерзая в трубах, она их разрушает вследствие расширения. Таким образом, перед инженерами центрального отопления и доставки горячей и холодной воды в дома стоит задача - как этого избежать.

Теплоемкость воды при учете длины труб даст необходимую температуру, до которой надо нагреть котлы. Однако зимы у нас бывают очень холодными. А при ста градусах Цельсия уже происходит кипение. В данной ситуации на помощь приходит удельная теплоемкость водяного пара. Как уже отмечалось выше, агрегатное состояние меняет эту величину. Ну а в котлах, которые несут нашим домам тепло, находится сильно перегретый пар. Из-за того, что у него высокая температура, он создает невероятное давление, поэтому котлы и ведущие к ним трубы должны быть очень прочными. В данном случае даже маленькая дырочка, совсем небольшая утечка способны привести к взрыву. Теплоемкость воды зависит от температуры, причем нелинейно. То есть для нагревания ее с двадцати до тридцати градусов потребуется другое количество энергии, чем, скажем, со ста пятидесяти до ста шестидесяти.

При любых действиях, которые затрагивают нагревание воды, это стоит учитывать, особенно если речь идет о больших объемах. Теплоемкость пара, как и многие его свойства, зависит от давления. При той же температуре, что и жидкое состояние, газообразное обладает почти в четыре раза меньшей теплоемкостью.

Выше мы привели много примеров о том, зачем требуется нагревать воду и как при этом необходимо учитывать величину теплоемкости. Однако мы еще не рассказали, что среди всех доступных ресурсов планеты эта жидкость обладает достаточно высоким показателем затраты энергии на нагревание. Данное свойство часто применяется для охлаждения.

Так как теплоемкость воды высока, то она эффективно и быстро заберет излишки энергии. Применяется это на производствах, в высокотехнологичном оборудовании (например, в лазерах). Да и дома мы наверняка знаем, что самый эффективный способ охладить сваренные вкрутую яйца или горячую сковородку - ополоснуть под холодной струей из-под крана.

А принцип действия атомных ядерных реакторов вообще строится на высокой теплоемкости воды. Горячая зона, как уже видно из названия, имеет невероятно высокую температуру. Нагреваясь сама, вода тем самым охлаждает систему, не давая реакции выйти из-под контроля. Таким образом, мы получаем необходимую электроэнергию (нагретый пар вращает турбины), и не происходит катастрофы.

В этом небольшом материале мы кратко рассмотрим одно из важнейших для нашей планеты свойств воды, ее Теплоемкость .

Удельная теплоемкость воды

Сделаем краткую интерпретацию этого термина:

Теплоемкость вещества это его способность аккумулировать в себе тепло. Измеряется эта величина количеством поглощаемого им тепла, при нагреве на 1°С. Например, теплоемкость воды — 1 кал/г, или 4,2 Дж/г, а почвы — при 14,5-15,5°С (в зависимости от типа почвы) колеблется от 0,5 до 0,6 кал (2,1-2,5 Дж) на единицу объема и от 0,2 до 0,5 кал (или 0,8-2,1 Дж) на единицу массы (граммы).

Теплоемкость воды оказывает существенное влияние на многие аспекты нашей жизни, но в этом материале мы сделаем акцент на ее роль в формировании температурного режима нашей планеты, а именно …

Теплоемкость воды и климат Земли

Теплоемкость воды по своему абсолютному значению достаточно велика. Из приведенного выше определения мы видим, что она существенно превышает теплоемкость почвы нашей планеты. Из-за такой разности теплоемкостей почва, по сравнению с водами мирового океана, значительно быстрее нагревается и соответственно быстрее остывает. Благодаря более инертному мировому океану колебания суточных и сезонных температур Земли не так велики, как были бы в случае отсутствия океанов и морей. Т. е. в холодное время года вода греет Землю, а в теплое охлаждает. Естественно это влияние наиболее ощутимо в прибрежных районах, но в глобальном усредненном измерении влияет на всю планету.

Естественно, что на колебания суточных и сезонных температур влияет множество факторов, но вода является одним из важнейших.

Увеличение амплитуды колебаний суточных и сезонных температур радикально изменило бы окружающий нас мир.

Например, всем хорошо известный факт — камень при резких температурных колебаниях теряет свою прочность и становится хрупким. Очевидно, что «несколько» другими были бы и мы сами. Точно другими были бы, как минимум, физические параметры нашего тела.

Аномальные свойства теплоемкости воды

Теплоемкость воды обладает аномальными свойствами. Оказывается, при повышении температуры воды ее теплоемкость уменьшается, эта динамика сохраняется до 37°C, при дальнейшем увеличении температуры теплоемкость начинает возрастать.

В этом факте заключено одно интересное утверждение. Условно говоря, сама природа в лице Воды определила 37°C как наиболее комфортную температуру для организма человека, при условии, конечно соблюдения всех остальных факторов. При любой динамике изменения температуры окружающей среды температура воды тяготеет к 37°C.

Энтальпия - это свойство вещества, указывающее количество энергии, которую можно преобразовать в теплоту.

Энтальпия - это термодинамическое свойство вещества, которое указывает уровень энергии , сохраненной в его молекулярной структуре. Это значит, что, хотя вещество может обладать энергией на основании , не всю ее можно преобразовать в теплоту. Часть внутренней энергии всегда остается в веществе и поддерживает его молекулярную структуру. Часть вещества недоступна, когда его температура приближается к температуре окружающей среды. Следовательно, энтальпия - это количество энергии, которая доступна для преобразования в теплоту при определенной температуре и давлении. Единицы энтальпии - британская тепловая единица или джоуль для энергии и Btu/lbm или Дж/кг для удельной энергии.

Количество энтальпии

Количество энтальпии вещества основано на его данной температуре. Данная температура - это значение, которая выбрано учеными и инженерами, как основание для вычислений. Это температура, при которой энтальпия вещества равна нулю Дж. Другими словами, у вещества нет доступной энергии, которую можно преобразовать в теплоту. Данная температура у различных веществ разная. Например, данная температура воды - это тройная точка (О °С), азота −150°С, а хладагентов на основе метана и этана −40°С.

Если температура вещества выше его данной температуры или изменяет состояние на газообразное при данной температуре, энтальпия выражается положительным числом. И наоборот при температуре ниже данной энтальпия вещества выражается отрицательным числом. Энтальпия используется в вычислениях для определения разницы уровней энергии между двумя состояниями. Это необходимо для настройки оборудования и определения полезного действия процесса.

Энтальпию часто определяют как полную энергию вещества , так как она равна сумме его внутренней энергии (и) в данном состоянии наряду с его способностью проделать работу (pv). Но в действительности энтальпия не указывает полную энергию вещества при данной температуре выше абсолютного нуля (-273°С). Следовательно, вместо того, чтобы определять энтальпию как полную теплоту вещества, более точно определять ее как общее количество доступной энергии вещества, которое можно преобразовать в теплоту.
H = U + pV