Теплопередача воды. Вода: электропроводность и теплопроводность

Cтраница 1

Теплопроводность воды примерно в 5 раз выше теплопроводности масла. Она увеличивается с увеличением давления, но при давлениях, имеющих место в гидродинамических передачах, ее можно принять постоянной.  

Теплопроводность воды приблизительно в 28 раз превышает теплопроводность воздуха. В соответствии с этим увеличивается скорость теплопотери при погружении тела в воду или соприкосновении с ней, а это в значительной мере определяет теплоощущение человека на воздухе и в воде. Так, например, при - (- 33 воздух кажется нам теплым, а такая же температура воды - безразличной. Температура воздуха 23 кажется нам безразличной, а вода такой же температуры - прохладной. При - (- 12 воздух кажется прохладным, а вода - холодной.  

Теплопроводность воды и водяного пара г несомненно, изучена лучше всех других веществ.  

Теплопроводность воды имеет положительный температурный ход, поэтому при малых концентрациях теплопроводность водных растворов многих солей, кислот и щелочей с повышением температуры растет.  

Теплопроводность воды значительно больше, чем у других жидкостей (кроме металлов) и изменяется тоже аномально: до 150 С возрастая и лишь затем начиная уменьшаться. Электропроводность воды очень мала, но заметно возрастает при повышении и температуры, и давления. Критическая температура воды равна 374 С, критическое давление 218 атм.  

Теплопроводность воды значительно больше, чем у других жидкостей (кроме металлов), и изменяется тоже аномально: до 150 С возрастает и лишь затем начинает уменьшаться. Электропроводность воды очень мала, но заметно возрастает при повышении и температуры, и давления. Критическая температура воды равна 374 С, критическое давление 218 атм.  

Теплопроводность воды имеет положительный температурный ход, поэтому при малых концентрациях теплопровод-кость водных растворов многих солей, кислот и щелочей с повышением температуры растет.  

Теплопроводность воды, водных растворов солей, спиртоводных растворов и некоторых других жидкостей (например, гликолей) возрастает с повышением температуры.  

Теплопроводность воды очень незначительна по сравнению с теплопроводностью других веществ; так, теплопроводность пробки - 0 1; асбеста - 0 3 - 0 6; бетона - 2 - 3; дерева - 0 3 - 1 0; кирпича-1 5 - 2 0; льда - 5 5 кал / см сек град.  

Теплопроводность воды X при 24 равна 0 511, теплоемкость ее с 1 ккал кг С.  

Теплопроводность воды прн 25 равна 1 43 - 10 - 3 кал / см-сек.  

Поскольку теплопроводность воды (Я 0 5 ккал / м - ч - град) примерно в 25 раз больше, чем у неподвижного воздуха, вытеснение воздуха водой повышает теплопроводность пористого материала. При быстром замораживании и образовании в порах строительных материалов уже не льда, а снега (Я 0 3 - 0 4), как показали наши наблюдения, теплопроводность материала, наоборот, несколько уменьшается. Правильный учет влажности материалов имеет большое значение для теплотехнических расчетов сооружений как надземных, так и подземных, например водоканализационных.  

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.

В сторону снижения начинают обнаруживаться при толщине водной прослойки между сферической (с радиусом кривизны около 1 м) и плоской 

В результате теплообмена между паром и жидкостью только верхний слой жидкости примет температуру насыщения , соответствующую среднему давлению слива . Температура основной массы жидкости останется ниже температуры насыщения. Нагревание жидкости протекает медленно вследствие низкого значения коэффициента температуропроводности жидкого пропана или бутана. Например, жидкого пропана на линии насыщения при температуре ts -- 20° С а = 0,00025 м-/ч, тогда как для воды, являющейся одним из наиболее инертных в тепловом отношении веществ , значение коэффициента температуропроводности при той же температуре будет а = 0,00052 м /ч. 

Теплопроводность и температуропроводность древесины зависят от ее плотности, так как в отличие от теплоемкости на эти свойства влияет наличие распределенных по объему древесины полостей клеток, заполненных воздухом . Коэффициент теплопроводности абсолютно сухой древесины возрастает с увеличением плотности, а коэффициент температуропроводности падает. При заполнении полостей клеток водой теплопроводность древесины растет, а температуропроводность снижается. Теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек. 

ЧТО зависит от резко различающихся значений этих коэффициентов для веществ углей, воздуха и воды. Так, удельная теплоемкость воды в три раза, а коэффициент теплопроводности в 25 раз больше, чем воздуха, поэтому коэффициенты тепло - и температуропроводности возрастают с увеличением влаги в углях (рис. 13). 

Прибор, изображенный на рис. 16 слева, служит для измерения тепло - и температуропроводности сыпучих материалов. В этом случае испытуемый материал помещается в пространство, образованное внутренней поверхностью цилиндра 6 и цилиндрическим нагревателем 9, размещенным по оси прибора. Для уменьшения осевых потоков измерительный блок снабжен крышками 7, 8 из теплоизоляционного материала . В рубашке, образованной внутренним и наружным цилиндрами, циркулирует вода постоянной температуры. Как и в предыдущем случае, разность температур измеряется дифференциальной термопарой , один спай которой 1 укреплен вблизи цилиндрического нагревателя, а другой 2 - на внутренней поверхности цилиндра с испытуемым материалом. 

К аналогичной формуле придем, если рассмотрим время, необходимое для испарения отдельной капли жидкости. Температуропроводность Хв жидкостей типа воды обычно мала. В связи с этим прогревание капли происходит относительно медленно за время пр о/Хв- Это позволяет считать, что испарение жидкости происходит только с поверхности капли без значительного прогрева 

На мелководьях прогрев воды осуществляется не только сверху за счет процессов теплообмена с атмосферой, но также и снизу, со стороны дна, которое из-за малой температуропроводности и сравнительно малой теплоемкости быстро прогревается. В ночные часы дно передает накопленное за день тепло слою воды, расположенному над ним, и возникает своеобразный парниковый эффект. 

В этих выражениях Яд и Н (в кал моль) - теплоты абсорбции и реакции (положительная при экзотермичности реакции), а остальные обозначения указаны выше. Коэффициент температуропроводности для воды составляет около 1,5 10" см 1сек. Функции и 

Значительно менее изучены теплопроводность и температуропроводность буровых растворов . В тепловых расчетах коэффициент теплопроводности их, по В. Н. Дахнову и Д. И. Дьяконову, а также Б. И. Есьману и др. , принимают тот же, что и воды - 0,5 ккал/м-ч-град . По справочным данным, коэффициент теплопроводности буровых растворов равен 1,29 ккал/м-ч-град. С. М. Кулиев и др. предложили для расчета коэффициента теплопроводности уравнение 

Для приблизительных расчетов процессов испарения воды в воздух и конденсации воды из влажного воздуха можно применять соотношение Льюиса , так как отношение коэффициента температуропроводности к коэффициенту диффузии при 20°С равно 0,835, что не сильно отличается от единицы. В разделе Г5-2 процессы, происходяшие во влажном воздухе , изучались при помощи графика зависимости удельного влагосодержания от энтальпии. Поэтому полезно было бы преобразовать уравнение (16-36) таким образом , чтобы в его правой части вместо парциальных 

B уравнениях (VII.3) и (VII.4) и краевых условиях (VII.5) приняты следующие обозначения Ti и Т - соответственно температуры отвердевшего и неотвердевшего слоев - температура среды Т р - криоскопическая температура а и U2 - соответственно температуропроводности этих слоев а = kil ifi), mV А.1 - коэффициент теплопроводности для замороженного мяса, Вт/(м- К) А.2 - то же для охлажденного мяса , Вт/(м- К) q и сг - удельные теплоемкости замороженного и охлажденного мяса , Дж/(кг-К) Pi ир2 - плотность замороженного и охлажденного мяса р1 =pj = 1020 кг/м - толщина замороженного слоя, отсчитываемая от

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:

1. Хлорид натрия при растворении в воде распадается на ионы Na+ и Cl-, которые имеют разные заряды.
2. Ионы Na+притягивают электроны, так как имеют противоположный заряд.
3. 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.

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.

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.

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