Теплопроводность воды и льда и их особенности
Вода и лед: теплопроводность: FreepickТеплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.
Теплопроводность воды и льда
Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.
Что такое теплопроводность
В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.
Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.
Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.
Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.
Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.
Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:
- Эта характеристика показывает количество тепла, которое в течение единицы времени при температурной разнице 1 К проходит сквозь однородный образец материала с определенной длиной и площадью.
- Международная система единиц (СИ) приводит для него такие единицы измерения — Вт/(м×град) или Вт/(м×К).
Каковы теплофизические свойства воды и льда
Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:
- При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
- При ее повышении он постепенно растет и, например, при температуре 20 °С составляет 0,603 Вт/(м×град).
С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.
Теплопроводность льда имеет следующие особенности:
- Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
- По мере уменьшения температуры показатель снижается.
Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой.
Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.
Почему вода не замерзает под толстым слоем льда
Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.
Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.
Низкая теплопроводность льда
У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.
Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.
Расширение воды при замерзании
Вода под слоем льда: FreepickВ процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.
С водой же происходит следующее:
- Она ведет себя так же, как и другие жидкости, до отметки в +4 °С, то есть сжимается.
- Дальнейшее замораживание приводит к постепенному расширению и уменьшению массы.
- Лед, который образуется при нулевой температуре, оказывается легче, чем незамерзший слой воды с плюсовой температурой.
Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.
Особенности плотности воды
Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С.
В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.
Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.
Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:
- Вначале происходит охлаждение воды до +4 °С, ее плотность возрастает, и она спускается ко дну водоема. Нижние теплые слои, соответственно, поднимаются наверх, где происходит их остывание и дальнейшее погружение вниз.
- Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
- Дальнейшее охлаждение верхнего слоя приводит к процессу расширения и снижения плотности воды около поверхности. Опуститься вниз она уже не способна, поэтому продолжится замерзание и кристаллизация.
- При нулевой отметке из верхнего слоя образуется лед, а нижний слой сохранит жидкое состояние.
Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы.
Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.
Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.
Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.
Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.
Оригинал статьи: https://www.nur.kz/family/school/1906083-teploprovodnost-vody-i-lda-i-ih-osobennosti/
Теплопроводность – вода – Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
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.
[1]
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. [2]
Теплопроводность воды и водяного пара г несомненно, изучена лучше всех других веществ. [3]
Динамическая вязкость ( х ( Па-с некоторых водных растворов.| Изменение массовой теплоемкости водных растворов некоторых солей в зависимости от концентрации раствора. | Теплопроводность некоторых растворов в зависимости от концентрации при 20 С.
[4] |
Теплопроводность воды имеет положительный температурный ход, поэтому при малых концентрациях теплопроводность водных растворов многих солей, кислот и щелочей с повышением температуры растет. [5]
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. [6]
| Изменение относительной теплоемкости воды с температурой.| Схема возникновения поверхностного натяжения. [7] |
Теплопроводность воды значительно больше, чем у других жидкостей ( кроме металлов), и изменяется тоже аномально: до 150 С возрастает и лишь затем начинает уменьшаться.
| Динамическая вязкость ц ( Па-с некоторых водных растворов.| Изменение массовой теплоемкости водных растворов некоторых солей в зависимости от концентрации раствора.| Теплопроводность некоторых растворов в зависимости от концентрации при 20 С. [9] |
Теплопроводность воды имеет положительный температурный ход, поэтому при малых концентрациях теплопровод-кость водных растворов многих солей, кислот и щелочей с повышением температуры растет. [10]
Теплопроводность воды, водных растворов солей, спиртоводных растворов и некоторых других жидкостей ( например, гликолей) возрастает с повышением температуры. [11]
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.
[12]
Теплопроводность воды X при 24 равна 0 511, теплоемкость ее с 1 ккал кг С. [13]
Теплопроводность воды прн 25 равна 1 43 – 10 – 3 кал / см-сек. [14]
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. [15]
Страницы: 1 2 3 4
Тепловые свойства | BioNinja
Понимание:
• Водородная связь и диполярность объясняют когезивные, адгезивные, термические и растворяющие свойства воды
Это состояние 90 6 90 3 90 60 60 60 3 вода способна поглощать значительное количество тепла перед изменением.
происходит из-за обширной водородной связи между молекулами воды – водородные связи должны быть разорваны, прежде чем может произойти изменение состояния, а это требует поглощения энергии (тепла)
Следовательно, вода является отличной средой для живых организмов, так как она относительно медленно меняет температуру и, таким образом, поддерживает поддержание постоянных условий (внутренних и внешних)
свойства воды со свойствами метана
Метан (CH 4 ) обеспечивает хорошую основу для сравнения с водой из-за большого сходства их структур:
- Сопоставимые размеры и вес (H 2 O = 18 дальтон ; CH 4 = 16 дальтон)
- Сопоставимые валентные структуры (оба имеют тетраэдрические орбитальные образования, но вода искривлена из-за несвязанных электронных пар) Сравнение молекул воды и метана
- Вода полярна и может образовывать межмолекулярные водородные связи (из-за высокой электроотрицательности атома кислорода)
- Метан неполярна и может образовывать только слабые дисперсионные силы между своими молекулами (углерод имеет более низкую электроотрицательность)
- Вода имеет значительно более высокую температуру плавления и кипения
- Вода имеет более высокую удельную теплоемкость (энергия, необходимая для повышения температура 1 г вещества на 1ºC)
- Вода имеет более высокую теплоту парообразования (энергия, поглощаемая на грамм при переходе из жидкости в газ/пар)
- Вода как более высокая теплота плавления (энергия, необходимая для превращения 1 г жидкости в 1 г твердое вещество при 0ºC)
- Превращение воды из жидкости в пар (испарение) требует затрат энергии
- Эта энергия исходит от поверхности кожи, когда она горячая, поэтому, когда пот испаряется, кожа охлаждается
- Поскольку вода имеет высокая удельная теплоемкость, она поглощает много тепловой энергии, прежде чем испарится
- Таким образом, вода действует как высокоэффективный хладагент, что делает ее основным компонентом пота
Различия между водой и метаном
Различия в термических свойствах воды и метана возникают из-за различий в полярности молекул:
Этот означает, что вода поглощает больше тепла перед изменением состояния (каждая водородная связь имеет среднюю энергию 20 кДж/моль)
Таблица ключевых термических свойств (вода против метана)
Применение:
• Использование воды в качестве охлаждающей жидко поскольку пот является основным механизмом, используемым людьми для охлаждения
Теплопроводность и удельная теплоемкость жидкостей для ванн и чиллеров | Блог
Теплопроводность показывает, насколько легко тепло передается между молекулами.
Высокая теплопроводность означает высокую теплопередачу, то есть жидкость будет нагреваться или охлаждаться быстрее, чем жидкость с низкой теплопроводностью.
Удельная теплоемкость относится к количеству тепловой энергии, необходимой для повышения температуры единицы данного вещества на 1°C. Чем выше теплоемкость вещества, тем менее эффективным будет нагрев или охлаждение.
Теплопроводность и удельная теплоемкость особенно важны для жидкостей для ванн и охладителей. Лучшая теплопроводность обеспечивает более равномерную температуру по всей ванне. Кроме того, улучшенная теплопроводность наряду с низкой удельной теплоемкостью ускорит нагрев или охлаждение.
Теплопроводность и удельная теплоемкость обычных жидкостей для ванн
Теплопроводность измеряется в ваттах на метр-кельвин (W.m -1 .K -1 ).
Удельная теплоемкость может быть выражена в килоджоулях на килограмм, на градус Кельвина (кДж/(кг·К)), британских тепловых единицах на фунт, на градус Фаренгейта (БТЕ/(фунт °F)) или в калориях на грамм, на градус Цельсия (ккал/кг °С).
Ниже приведен список распространенных жидкостей для ванн и чиллеров, а также их теплопроводность и удельная теплоемкость.
Жидкость | Теплопроводность (Вм -1 .К -1 ) | Удельная теплоемкость (кДж/(кг·°К)) |
Вода | 0,607 при 25°С | 4,19 при 25°С |
Этанол | 0,169 при 25°C | 2,44 при 25°C |
Этиленгликоль | 0,256 при 25°C | 2,36 при 25°C |
Пропиленгликоль | 0,200 при 25°C | 2,5 при 25°C |
Глицерин | 0,292 при 25°C | 2,43 при 25°С |
Минеральное масло | 0,133 при 25°C | 1,67 при 25°C |
0,157 при 20°C | 1,51 при 20°C |
Теплопроводность и удельная теплоемкость шариков
Если вас интересуют ванночки для шариков, многие шарики обладают высокой теплопроводностью.
Однако бисерная ванна будет нагреваться гораздо медленнее, чем водяная баня. Например, Lab Armor Beads нагревается примерно в три раза медленнее, чем вода. Это в первую очередь потому, что они не текут, а также потому, что шарики не полностью контактируют друг с другом, что уменьшает площадь поверхности, через которую передается тепловая энергия.
Аналогичным образом, у бусинок меньшая площадь поверхности, соприкасающаяся с сосудом, поэтому нагревание образца может быть намного медленнее, чем в водяной бане. Тем не менее, бусины имеют более низкую удельную теплоемкость, чем вода. Таким образом, они требуют меньше энергии для нагрева. Кроме того, шарики не испаряются, что является источником потерь тепла в стандартных банях.
Бусины Lab Armor имеют высокую теплопроводность.
Об авторе
Эйми раскрывает сложные темы науки и техники, чтобы помочь читателям разобраться в концепциях и устранить проблемы. Она имеет более чем десятилетний опыт работы в лаборатории, получила степень в области медицинской химии и работала химиком в многонациональной косметической компании, прежде чем увлеклась писательством.