- Молярная масса воды
- Молярная масса воды
- Примеры решения задач
- Плотность воды, теплопроводность и физические свойства H2O
- Плотность воды в зависимости от температуры
- Физические свойства воды при температуре от 0 до 100°С
- Теплофизические свойства воды на линии насыщения (100…370°С)
- Теплопроводность воды в зависимости от температуры при атмосферном давлении
- Теплопроводность воды в зависимости от температуры и давления
Молярная масса воды
Молярная масса воды
Вода – это наиболее распространенное вещество в природе. Она представляет собой термодинамически устойчивое соединение, способное находиться сразу в трех агрегатных состояниях: жидком, твердом (лед) и газообразном (водяной пар), каждое из которых определяется температурой и давлением (рис. 1).
Рис. 1. Диаграмма состояния воды.
Кривая АО соответствует равновесию в системе лед-пар, DO – равновесию в системе переохлажденная вода-пар, кривая OC – равновесию в системе вода-пар, а кривая OB – равновесию в системе лед-вода. В точке О все кривые пересекаются. Эта точка называется тройной точкой и отвечает равновесию в системе лед-вода-пар.
Брутто-формула воды – H2O. Как известно, молекулярная масса молекулы равна сумме относительных атомных масс атомов, входящих в состав молекулы (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).
Mr(H2O) = 2×1 + 16 = 2 + 16 = 18.
Легко показать, что численные значения молярной массы М и относительной молекулярной массы Mr равны, однако первая величина имеет размерность [M] = г/моль, а вторая безразмерна:
Это означает, что молярная масса воды равна 18 г/моль.
Примеры решения задач
| Задание | Рассчитайте массовую долю элементов в следующих молекулах: а) воды (H2O); б) серной кислоты (H2SO4). |
| Ответ | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: |
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.
Рассчитаем массовые доли каждого из элементов, входящих в состав указанных соединений.
а) Найдем молекулярную массу воды:
Mr (H2O) = 2×1,00794 + 15,9994 = 2,01588 + 15,9994 = 18,0159.
Известно, что M = Mr, значит M(H2O) = 32,2529 г/моль. Тогда массовые доли кислорода и водорода будут равны:
ω (H) = 2 × Ar (H) / M (H2O) × 100%;
ω (H) = 2 × 1,00794 / 18,0159 × 100%;
ω (H) = 2,01588 / 18,0159× 100% = 11,19%.
ω (O) = Ar (O) / M (H2O) × 100%;
ω (O) = 15,9994 / 18,0159× 100% = 88,81%.
б) Найдем молекулярную серной кислоты:
Mr (H2SO4) = 2×1,00794 + 32,066 + 4×15,9994 = 2,01588 + + 32,066 + 63,9976;
Известно, что M = Mr, значит M(H2SO4) = 98,079 г/моль. Тогда массовые доли кислорода, серы и водорода будут равны:
ω (H) = 2 × 1,00794 / 98,079 × 100%;
ω (H) = 2,01588 / 98,079× 100% = 2,06%.
ω (S) = 32,066 / 98,079× 100% = 32,69%.
ω (O) = 4×15,9994 / 98,079× 100% = 63,9976/ 98,079× 100% = 65,25%
| Задание | Вычислите, где каком из соединений массовая доля (в %) элемента водорода больше: в метане (CH4) или сероводороде (H2S)? |
| Решение | Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: |
ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.
Рассчитаем массовую долю каждого элемента водорода в каждом из предложенных соединений (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева округлим до целых чисел).
Найдем молекулярную массу метана:
Mr (CH4) = 4×1+ 12 = 4 + 12 = 16.
Известно, что M = Mr, значит M(CH4) = 16 г/моль. Тогда массовая доля водорода в метане будет равна:
ω (H) = 4 × Ar (H) / M (CH4) × 100%;
ω (H) = 4 × 1 / 16 × 100%;
ω (H) = 4/ 16 × 100% = 25%.
Найдем молекулярную массу сероводорода:
Mr (H2S) = 2×1+ 32 = 2 + 32 = 34.
Известно, что M = Mr, значит M(H2S) = 34 г/моль. Тогда массовая доля водорода в сероводороде будет равна:
ω (H) = 2 × Ar (H) / M (H2S) × 100%;
ω (H) = 2 × 1 / 34 × 100%;
ω (H) =2/ 34 × 100% = 5,88%.
Таким образом, массовая доля водорода больше в метане, поскольку 25 > 5,88.
| Понравился сайт? Расскажи друзьям! |
| 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 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/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.
| 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 |
| 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·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 Cp, 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).
| 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 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Размерность теплопроводности воды в таблице Вт/(м·град).
Источник
