Что необходимо знать о плотности горячей воды и ее свойствах?
Физические свойства воды мало интересуют людей в повседневной жизни. Однако, для сантехнического и отопительного оборудования они имеют важное значение.
Плотность горячей воды — непостоянная величина, поэтому эксплуатация систем ГВС и ЦО требует учета параметров.
Физическое определение
То есть, эта величина показывает количество данного вещества, сосредоточенного в определенном объеме.
Если посмотреть на молекулярном уровне, плотность показывает, насколько близко друг к другу расположены молекулы того или иного материала.
Показателем, иллюстрирующим значение этого параметра, может стать соотношение веса 1 л разных жидкостей:
- вода — 1 кг;
- масло — 900 г;
- спирт — 800 г и т.д.
То есть, в одинаковом объеме воды больше, чем масла или спирта. Для обозначения плотности в формулах используется греческая буква ρ (ро).
Сама формула в общем виде выглядит следующим образом:
С изменением температуры плотность веществ изменяется. Это происходит из-за ускорения движения атомов. У воды наблюдается особое соотношение этих параметров.
Что влияет на этот параметр?
В обычных условиях на параметры воды значительное влияние оказывает степень нагрева. Как правило, у большинства веществ или соединений плотность увеличивается при понижении температуры. Однако, у воды эта зависимость нелинейная.
Показатель достигает максимума при 4°C, понемногу уменьшаясь как при понижении, так и при повышении температуры. При этом, когда вода переходит в твердую фазу (образуется лед), процесс уменьшения плотности при охлаждении продолжается.
Этим объясняется известный (и очень опасный для оборудования) эффект расширения воды при замерзании — из 0,028 м 3 воды получается 0,03 м 3 льда.
При этом горячая вода показывает нелинейный, но относительно ровный график уменьшения значений (по крайней мере, до точки кипения в 100°С).
Таблица зависимости от температуры
Для наглядности составим таблицу плотности воды при разных температурах:
| Температура, t°С | Плотность, ρ г/мл |
| 0 | 0,9998 |
| 2 | 0,9999 |
| 4 | 1 |
| 6 | 0,9999 |
| 10 | 0,9997 |
| 15 | 0,9991 |
| 20 | 0,9982 |
| 25 | 0,9970 |
| 30 | 0,9957 |
| 40 | 0,9922 |
| 50 | 0,9880 |
| 60 | 0,9832 |
| 70 | 0,9778 |
| 80 | 0,9718 |
| 90 | 0,9653 |
| 100 | 0,9584 |
Анализируя данные таблицы, можно отметить сравнительно ровную кривую зависимости двух характеристик воды. При этом, управляющим параметром является температура. Если по этим данным составить график, получится не прямая линия, а кривая параболического типа.
Меняется ли вес в процессе нагревания?
Самый большой вес она имеет при 4°С, но, при охлаждении или нагревании относительно этого значения, будет становиться легче.
На практике обычно учитывается не столько изменение веса, сколько различие в объемах горячей и холодной воды.
В большинстве систем вода заперта в ограниченном пространстве, и, если заранее не позаботиться о компенсирующих устройствах, возрастающий объем станет причиной разрыва емкости или трубопровода.
Необходимо учитывать, что разница в весе не слишком велика. Один кубометр воды при 4°С весит ровно тонну, а при 90°С он станет легче на 34,7 кг.
Применение этих знаний на практике
Для специалистов-теплотехников или работников ЖКХ, любые изменения параметров потока являются серьезной проблемой.
Приходится использовать компенсаторы объема (у техников они называются расширительные баки), делать резервные линии для отведения избытков.
В природе изменения плотности также имеют свое значение. В зимнее время вода, охлаждаясь до 4°С, опускается на дно водоема, вытесняя наверх более теплые слои.
Это позволяет защитить водоемы от сплошного перемерзания, сохранить запасы рыбы и прочей водной живности.
Заключение
Изменения параметров в зависимости от степени нагрева не являются исключительным свойством воды. Особенности достаточно хорошо изучены, но в обыденной жизни они заметного влияния не оказывают.
Это иногда становится причиной ошибок, допущенных неподготовленными людьми. Необходимо иметь представление о свойствах и специфике воды, чтобы не создавать условий для возникновения аварий или поломок систем, оборудования, разрывов трубопроводов.
Источник
Пищевая химия: учебник для студентов вузов
Глава 4.1. Свойства воды
Описание свойств воды начинают, обычно, с характеристики аномалий, присущих воде – самому распространенному и, вместе с тем, самому загадочному и необычному веществу на земле. Причем практически каждое из этих аномальных свойств имеет важное значение для обеспечения жизнедеятельности на земле. Необычные свойства воды особенно ярко выделяются на фоне свойств ее гомологов: H 2 S , H 2 Se , H 2 Te . Молекула воды является самым первым и легким представителем этого гомологического ряда, однако гидриды серы, селена и теллура при комнатной температуре, в отличие от воды, находятся в газообразном состоянии (рис. 23).
И вода, если бы она была обычным членом гомологического ряда, должна в соответствии со своей молекулярной массой закипать при температуре –70 о С и превращаться в лед при температуре –90 о С, а значит, не могла бы быть основой жизни на земле.
Рис. 23. Точки плавления и кипения гидридов VI группы Периодической системы элементов
Другая особенность воды – это аномальное изменение плотности в зависимости от температуры (рис. 24). В обычных жидкостях плотность всегда уменьшается с ростом температуры. Для воды характер изменения плотности в зависимости от температуры другой – после таяния льда плотность увеличивается, проходит через максимум при температуре 4 о С, а затем уменьшается с ростом температуры.
Рис. 24. Зависимость плотности воды от температуры
Жидкая вода имеет максимум плотности не в точке плавления, а при температуре 4 о С и ее плотность уменьшается, как при повышении температуры, так и при ее понижении до температуры возможного переохлаждения, равной – 40 о С (при 1 атмосфере). При этом плотность воды больше плотности льда на 10%, благодаря чему лед плавает на поверхности воды. При температуре 4 о С вода уменьшается в объеме до минимальных значений, а при дальнейшем понижении температуры от 4 о С до 0 о С расширяется (рис. 25).
Рис. 25. Зависимость молярного объема воды и льда от температуры
Минимум объема воды при температуре 4 о С обусловлен, по мнению Зацепиной Г.Н., особенностью межмолекулярного взаимодействия системы Н 2 О, в которой число межмолекулярных переходов протонов равно числу внутримолекулярных переходов. Вода, превращаясь в лед, благодаря увеличению объема приобретает огромную силу, способность разрушать крепчайшие породы и, вместе с тем это спасает нашу планету от оледенения. Так как максимум плотности при 4 о С предотвращает конвективное перемешивание жидкости и опускание на дно поверхностных слоев воды, остывших до температуры ниже 4 о С, что замедляет дальнейшее охлаждение и промерзание водоемов.
Морская вода, в отличие от пресной ведет себя иначе. Наличие различных солей меняет ее физико-химические свойства. Она замерзает при – 1,9 о С (переохлажденная вода) и имеет максимальную плотность при – 3,5 о С, то есть она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Переохлажденная вода, то есть остающаяся в жидком состоянии ниже точки замерзания 0 о С, ведет себя странно, с одной стороны плотность воды сильно уменьшается по мере переохлаждения, но, с другой стороны она приближается к плотности льда при понижении температуры.
Другая аномалия воды – необычное поведение ее сжимаемости, то есть уменьшение объема при увеличении давления. Для обычных жидкостей сжимаемость растет с температурой – при высоких температурах жидкости более рыхлы, имеют меньшую плотность, их легче сжать. Вода так ведет себя при высоких температурах выше 50 о С. При низких температурах, от 0 о С до 45 о С сжимаемость воды меняется противоположным образом, в результате при температуре 45 о С появляется минимум. Изотермическая сжимаемость воды при температуре 0 о С в четыре раза больше, чем изотермическая сжимаемость льда (рис. 26).
Рис. 26. Зависимость сжимаемости воды от температуры
Максимальное изменение сжимаемость испытывает при плавлении. Сжимаемость воды и льда мала по сравнению со сжимаемостью других веществ (табл.4.1.1).
Таблица 4.1.1. Сжимаемость ряда веществ в интервале температур от 5 о С до 30 о С
β s ·10 12 , дин/см 2
Указание особенности изменения сжимаемости воды и льда объясняют характером водородных связей в них. На этих примерах видно, что необычные свойства воды характеризуются появлением максимумов или минимумов на кривых зависимостей от температуры. Такие зависимости означают, что имеют место два противоположных процесса, которые и определяют эти свойства. Один процесс – это обычное тепловое движение, которое усиливается с ростом температуры и делает воду, как и любую другую жидкость, более разупорядоченной. Другой процесс необычный, присущий только воде, за счет него вода становится более упорядоченной при низких температурах. Разные свойства воды по-разному чувствительны к этим двум процессам, и поэтому положение экстремума наблюдается для каждого свойства при своей температуре.
Самая сильная аномалия воды – это температурная зависимость ее теплоемкости. Величина теплоемкости показывает, сколько нужно затратить тепла, чтобы поднять температуру вещества на один градус. При нагревании вещества теплоемкость, как правило, возрастает для всех веществ, кроме воды. Изменение теплоемкости воды с повышением температуры аномально – от 0 о С до 37 о С она падает и от 37 о С до 100 о С начинает повышаться. Теплоемкость водяного пара приближается к теплоемкости льда. Минимальное значение теплоемкость воды имеет около 37 о С. Это нормальная температура тела человека (36,6–37 о С), именно при этой температуре происходят сложные биохимические процессы в организме человека, значит энергетически это наиболее выгодные условия. Для подавляющего числа веществ теплоемкость жидкости после плавления кристалла изменяется незначительно (табл. 4.1.2).
Таблица 4.1.2. Теплоемкость веществ в трех агрегатных состояниях
Теплоемкость вещества (С о Р , кал/моль)
Вода же при плавлении льда меняет теплоемкость в два раза, такого огромного скачка при плавлении не наблюдается ни у одного вещества. Теплоемкость льда имеет очень низкое значение, она близка к теплоемкости одноатомных кристаллов и равна теплоемкости твердого аммиака. В процессе плавления металлов теплоемкость практически не изменяется, для веществ из многоатомных молекул в процессе плавления она, как правило, уменьшается, что, вероятно, связано с тем, что молекулы могут свободно вращаться в жидкости, и не могут в твердом теле. Для таких соединений как Н 2 О и NH 3 теплоемкость в жидком состоянии много больше, чем в твердом состоянии. Это означает, что в воде открываются какие-то новые, энергоемкие процессы, на которые тратится подводимое тепло, что и обуславливает появление избыточной теплоемкости, причем это характерно для всего диапазона температур, при которых вода находится в жидком состоянии. Эта аномалия исчезает только в паре, то есть это свойство именно жидкой воды. Для переохлажденной воды теплоемкость еще больше возрастает при сильном переохлаждении, то есть переохлажденная вода еще более аномальна, чем обычная. Высокая теплоемкость воды и высокая удельная теплота плавления среди простых веществ (лед трудно растопить, а воду заморозить) способствуют смягчению климата на земле, не происходит резкого перепада температур зимой и летом, ночью и днем, поскольку существует гигантский регулятор, своеобразный термостат – воды Мирового океана.
Другой величиной, которая определяет характер теплового движения в жидкостях, является теплопроводность. Зависимость изменения теплопроводности воды от температуры приведена на рисунке 26. Для сравнения приведено изменение теплопроводности четыреххлористого углерода, который ведет себя, как обычная жидкость, то есть с ростом температуры уменьшается теплопроводность и растет теплоемкость. Как видно из рисунка 27, теплопроводность при плавлении льда уменьшается приблизительно в четыре раза. Переохлажденная вода имеет тот же характер изменения теплопроводности, что и обычная.
Рис. 27. Зависимость теплопроводности воды и четыреххлористого углерода от температуры
Все нормальные жидкости с ростом давления изменяют знак зависимости теплопроводности от температуры. Теплопроводность воды не изменяет характера температурной зависимости под давлением. Относительная величина увеличения теплопроводности воды при давлении 1200 кг/см 2 составляет около 50%, в то время как для нормальных жидкостей это увеличение при том же давлении составляет приблизительно 270%. Теплопроводность воды слабо зависит от давления, что связано с малой сжимаемостью воды по сравнению с другими жидкостями.
И, наконец, еще одно удивительное свойство воды, связанное с особенностями ее поверхностного натяжения. Вода в свободном состоянии принимает шарообразную форму (капли дождя, росы). На границе двух сред (вода-воздух) силы межмолекулярного притяжения действуют с одной стороны, стягивая поверхность жидкости. На структуру поверхностного слоя воды влияет два фактора – полярность молекул воды и сетка водородных связей. Поверхностное натяжение воды 72 мн/м (миллиньютон/метр). Это поверхностное натяжение настолько велико, что смоченные водой две пластинки из стекла удается разъединить только с помощью огромных усилий. Из всех известных жидкостей силы поверхностного натяжения воды по своей величине уступают только ртути (около 500 мн/м).
Рис. 28. Зависимость сдвиговой вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода
Еще одно аномальное свойство воды – ее вязкость. Обычные жидкости с повышением давления увеличивают вязкость, а с ростом температуры уменьшают. Характер изменения вязкости у воды другой. На рисунке 28 представлена зависимость вязкости от температуры для воды и четыреххлористого углерода. Как видно из рисунка вязкость четыреххлористого углерода до температуры около 23 о С меньше, чем у воды, а для больших температур она больше, чем у воды.
Зависимость вязкости от давления для разных температур приведена на рисунке 29, из которой следует, что для низких температур с ростом давления вплоть до 2000 атм вязкость воды уменьшается, а затем начинает расти и при температуре 100 о С кривая близка по характеру зависимости для обычных жидкостей.
Рис. 29. Зависимость сдвиговой вязкости от давления для ряда температур
Увеличение вязкости для них с ростом давления связано с уменьшением длины свободного пробега молекул, так как при большем давлении они плотнее упакованы. Как видно из приведенных характеристик, вода действительно является необычной, аномальной жидкостью и природа этих аномалий кроется в особенностях ее структуры.
Источник
