Jak wykorzystać przezroczystość i przewodność cieplną wody? Wielka encyklopedia ropy i gazu

W kierunku do dołu zaczynają być wykrywane, gdy grubość warstwy wody mieści się pomiędzy kulistą (o promieniu krzywizny około 1 m) a płaską 

W wyniku wymiany ciepła pomiędzy parą a cieczą, jedynie górna warstwa cieczy osiągnie temperaturę nasycenia odpowiadającą średniemu ciśnieniu spustowemu. Temperatura większości cieczy pozostanie poniżej temperatury nasycenia. Ogrzewanie cieczy przebiega powoli ze względu na niski współczynnik dyfuzji cieplnej ciekłego propanu lub butanu. Przykładowo ciekły propan na linii nasycenia w temperaturze ts - 20° C a = 0,00025 m-/h, natomiast dla wody, która jest jedną z najbardziej obojętnych termicznie substancji, wartość współczynnika dyfuzji cieplnej w tej samej temperaturze będzie wynosić a = 0,00052 m/h. 

Przewodność cieplna i dyfuzyjność cieplna drewna zależą od jego gęstości, ponieważ w przeciwieństwie do pojemności cieplnej na te właściwości wpływa obecność wnęk komórkowych wypełnionych powietrzem rozmieszczonym w całej objętości drewna. Współczynnik przewodności cieplnej całkowicie suchego drewna wzrasta wraz ze wzrostem gęstości, a współczynnik przewodności cieplnej maleje. Gdy wnęki komórkowe zostaną wypełnione wodą, przewodność cieplna drewna wzrasta, a dyfuzyjność cieplna maleje. Przewodność cieplna drewna wzdłuż włókien jest większa niż w poprzek. 

CO zależy od znacznie różnych wartości tych współczynników dla substancji węgla, powietrza i wody. Zatem ciepło właściwe wody jest trzykrotnie większe, a współczynnik przewodności cieplnej jest 25 razy większy niż powietrza, dlatego współczynniki ciepła i dyfuzyjności cieplnej rosną wraz ze wzrostem wilgotności węgli (rys. 13). 

Urządzenie pokazane na ryc. 16 po lewej stronie, używany do pomiaru ciepła i dyfuzyjności cieplnej materiały sypkie. W tym przypadku badany materiał umieszcza się w przestrzeni utworzonej przez wewnętrzną powierzchnię cylindra 6 i cylindryczną grzałkę 9 umieszczoną wzdłuż osi urządzenia. Aby zmniejszyć przepływy osiowe Jednostka miary wyposażone w osłony 7, 8 wykonane z materiału termoizolacyjnego. W płaszczu utworzonym przez cylinder wewnętrzny i zewnętrzny krąży woda o stałej temperaturze. Podobnie jak w poprzednim przypadku różnicę temperatur mierzy się za pomocą termopary różnicowej, której jedno złącze jest zamocowane w pobliżu cylindrycznego grzejnika, a drugie 2 znajdują się na wewnętrznej powierzchni cylindra z materiałem testowym. 

Do podobnego wzoru dojdziemy, jeśli weźmiemy pod uwagę czas potrzebny na odparowanie pojedynczej kropli cieczy. Dyfuzyjność cieplna cieczy, takich jak woda, jest zwykle niska. Pod tym względem nagrzewanie kropli następuje stosunkowo powoli w czasie ogrzewania, co pozwala założyć, że parowanie cieczy następuje tylko z powierzchni kropli bez znacznego nagrzewania 

W wodach płytkich woda nagrzewa się nie tylko od góry w wyniku procesów wymiany ciepła z atmosferą, ale także od dołu, od dołu, która szybko się nagrzewa ze względu na małą dyfuzyjność cieplną i stosunkowo małą pojemność cieplną. W nocy dno przekazuje ciepło zgromadzone w ciągu dnia do znajdującej się nad nim warstwy wody, co powoduje swoisty efekt cieplarniany. 

W tych wyrażeniach Trucizna i H (w cal molach) to ciepło absorpcji i reakcji (dodatnie, gdy reakcja jest egzotermiczna), a pozostałe oznaczenia podano powyżej. Współczynnik dyfuzyjności cieplnej dla wody wynosi około 1,5 10" cm 1 s. Funkcje i 

Znacznie mniej zbadano przewodność cieplną i dyfuzyjność cieplną płuczek wiertniczych. W obliczeniach termicznych ich współczynnik przewodności cieplnej, według V.N. Dakhnova i D.I. Dyakonova, a także B.I. Esmana i innych, przyjmuje się jako taki sam jak w przypadku wody - 0,5 kcal/m-h-deg. Według danych referencyjnych współczynnik przewodności cieplnej płuczek wiertniczych wynosi 1,29 kcal/m-h-deg. S. M. Kuliev i in. zaproponowali równanie do obliczenia współczynnika przewodności cieplnej 

Do przybliżonych obliczeń procesów odparowania wody do powietrza i skraplania wody z wilgotnego powietrza można posłużyć się zależnością Lewisa, gdyż stosunek współczynnika dyfuzji cieplnej do współczynnika dyfuzji w temperaturze 20°C wynosi 0,835, co nie jest zbyt dużą wartością. różni się od jedności. W części G5-2 zbadano procesy zachodzące w wilgotnym powietrzu, wykorzystując wykres wilgotności właściwej w funkcji entalpii. Dlatego przydałoby się przekształcić równanie (16-36) tak, aby po jego prawej stronie zamiast cząstkowego 

W równaniach (VII.3) i (VII.4) oraz warunkach brzegowych (VII.5) przyjmuje się oznaczenia Ti i T – odpowiednio temperatury warstwy utwardzonej i nieutwardzonej – temperaturę ośrodka T p – temperaturę krioskopową a i U2 - odpowiednio współczynnik dyfuzji cieplnej tych warstw a = kil ifi), mV A.1 - współczynnik przewodzenia ciepła dla mięsa mrożonego, W/(m-K) A.2 - taki sam dla mięsa schłodzonego, W/(m-K) q i сг – ciepło właściwe mięsa zamrożonego i schłodzonego, J/(kg-K) Pi ir2 – gęstość mięsa zamrożonego i schłodzonego p1 =pj = 1020 kg/m – grubość warstwy zamrożonej mierzona od

Strona 1

Przewodność cieplna wody jest około 5 razy większa niż przewodność cieplna oleju. Rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, jednak przy ciśnieniach występujących w przekładniach hydrodynamicznych można ją przyjąć jako stałą.  

Przewodność cieplna wody jest około 28 razy większa niż przewodność cieplna powietrza. Zgodnie z tym tempo utraty ciepła wzrasta, gdy ciało zanurza się w wodzie lub styka się z nią, co w dużej mierze determinuje odczuwanie ciepła przez osobę w powietrzu i wodzie. I tak np. o - (- 33) powietrze wydaje nam się ciepłe, a ta sama temperatura wody wydaje nam się obojętna. Temperatura powietrza 23 wydaje nam się obojętna, a woda o tej samej temperaturze wydaje się chłodna. O - (- 12 powietrze wydaje się chłodne, a woda zimna.  

Przewodność cieplna wody i pary wodnej została niewątpliwie zbadana lepiej niż wszystkich innych substancji.  

Przewodność cieplna wody ma dodatnią zmienność temperatury, dlatego przy niskich stężeniach przewodność cieplna wodnych roztworów wielu soli, kwasów i zasad wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.  

Przewodność cieplna wody jest znacznie większa niż innych cieczy (z wyjątkiem metali), a także zmienia się nienormalnie: wzrasta do 150 C i dopiero potem zaczyna spadać. Przewodność elektryczna wody jest bardzo niska, ale zauważalnie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia. Krytyczna temperatura woda ma temperaturę 374 C, ciśnienie krytyczne 218 atm.  

Przewodność cieplna wody jest znacznie większa niż innych cieczy (z wyjątkiem metali), a także zmienia się nienormalnie: wzrasta do 150 ° C i dopiero wtedy zaczyna spadać. Przewodność elektryczna wody jest bardzo niska, ale zauważalnie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia. Krytyczna temperatura wody wynosi 374 C, ciśnienie krytyczne 218 atm.  

Przewodność cieplna wody ma dodatnią zmienność temperatury, dlatego przy niskich stężeniach przewodność cieplna wodnych roztworów wielu soli, kwasów i zasad wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.  

Przewodność cieplna wody, wodnych roztworów soli, roztworów alkoholowo-wodnych i niektórych innych cieczy (na przykład glikoli) wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.  

Przewodność cieplna wody jest bardzo mała w porównaniu z przewodnością cieplną innych substancji; Zatem przewodność cieplna wtyczki wynosi 0 1; azbest - 0 3 - 0 6; beton - 2 - 3; drewno - 0 3 - 1 0; cegły-1 5 - 2 0; lód - 5 5 cal/cm sek. st.  

Przewodność cieplna wody X w 24 jest równa 0,511, jej pojemność cieplna wynosi 1 kcal kg C.  

Przewodność cieplna wody prn 25 wynosi 1,43 - 10 - 3 cal/cm-sek.  

Ponieważ przewodność cieplna wody (I 0,5 kcal / m - h - deg) jest około 25 razy większa niż w nieruchomym powietrzu, wypieranie powietrza przez wodę zwiększa przewodność cieplną porowatego materiału. Z szybkim zamarzaniem i tworzeniem się w porach materiały budowlane już nie lód, ale śnieg (I 0 3 - 0 4), jak wykazały nasze obserwacje, wręcz przeciwnie, przewodność cieplna materiału nieco maleje. Prawidłowe obliczenie wilgotności materiału ma bardzo ważne Dla obliczenia termiczne obiekty zarówno naziemne, jak i podziemne, np. wodno-kanalizacyjne.  

Kto zna formułę wody od czasów szkolnych? Oczywiście, to wszystko. Jest prawdopodobne, że z całego przebiegu chemii wielu, którzy wówczas nie studiują jej w specjalistyczny sposób, ma jedynie wiedzę o tym, co oznacza wzór H 2 O. Ale teraz postaramy się zrozumieć tak szczegółowo i dogłębnie, jak to możliwe jakie są jego główne właściwości i dlaczego bez niego nie ma życia na planecie Ziemia.

Woda jako substancja

Jak wiemy, cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Jej wzór zapisano następująco: H 2 O. Substancja ta może występować w trzech stanach: stałym – w postaci lodu, gazowym – w postaci pary oraz ciekłym – jako substancja pozbawiona koloru, smaku i zapachu. Nawiasem mówiąc, jest to jedyna substancja na planecie, która może istnieć we wszystkich trzech stanach jednocześnie naturalne warunki. Na przykład: na biegunach Ziemi znajduje się lód, w oceanach jest woda, a parowanie pod promieniami słonecznymi to para. W tym sensie woda jest anomalna.

Woda jest także najpowszechniej występującą substancją na naszej planecie. Zajmuje powierzchnię Ziemi w prawie siedemdziesięciu procentach - są to oceany, liczne rzeki z jeziorami i lodowce. Większość wody na planecie jest słona. Nie nadaje się do picia i picia Rolnictwo. Świeża woda stanowi zaledwie dwa i pół procent całkowitej ilości wody na planecie.

Woda jest bardzo mocnym i wysokiej jakości rozpuszczalnikiem. A tym samym reakcje chemiczne przepłynąć przez wodę z ogromną prędkością. Ta sama właściwość wpływa na metabolizm Ludzkie ciało. Powszechnie wiadomo, że organizm dorosłego człowieka składa się w siedemdziesięciu procentach z wody. U dziecka odsetek ten jest jeszcze wyższy. Na starość liczba ta spada z siedemdziesięciu do sześćdziesięciu procent. Nawiasem mówiąc, ta cecha wody wyraźnie pokazuje, że jest ona podstawą ludzkiego życia. Im więcej wody w organizmie, tym jest on zdrowszy, bardziej aktywny i młodszy. Dlatego naukowcy i lekarze ze wszystkich krajów niestrudzenie podkreślają, że trzeba dużo pić. To woda w środku czysta forma, a nie substytuty w postaci herbaty, kawy lub innych napojów.

Woda kształtuje klimat na planecie i nie jest to przesada. Ciepłe prądy Ocean ogrzewa całe kontynenty. Dzieje się tak dlatego, że woda bardzo dużo wchłania ciepło słoneczne, a następnie oddaje go, gdy zaczyna się ochładzać. W ten sposób reguluje temperaturę na planecie. Wielu naukowców twierdzi, że Ziemia już dawno by ostygła i zamieniła się w kamień, gdyby nie obecność tak dużej ilości wody na zielonej planecie.

Właściwości wody

Woda ma wiele bardzo ciekawych właściwości.

Na przykład woda jest najbardziej mobilną substancją po powietrzu. Z kurs szkolny wielu prawdopodobnie pamięta taką koncepcję, jak obieg wody w przyrodzie. Na przykład: strumień paruje pod wpływem bezpośredniego promienie słoneczne, zamienia się w parę wodną. Co więcej, para ta jest przenoszona gdzieś przez wiatr, gromadzi się w chmurach, a nawet w górach i opada w postaci śniegu, gradu lub deszczu. Dalej potok ponownie spływa z gór, częściowo wyparowując. I tak – w kole – cykl powtarza się miliony razy.

Woda ma również bardzo dużą pojemność cieplną. Z tego powodu zbiorniki wodne, zwłaszcza oceany, schładzają się bardzo powoli podczas przejścia z ciepłej pory roku lub pory dnia na zimną. I odwrotnie, wraz ze wzrostem temperatury powietrza woda nagrzewa się bardzo powoli. Dzięki temu, jak wspomniano powyżej, woda stabilizuje temperaturę powietrza na całej naszej planecie.

Po rtęci najwyższą wartość ma woda napięcie powierzchniowe. Nie sposób nie zauważyć, że przypadkowo się rozlał płaska powierzchnia kropla czasami staje się imponującą plamką. To pokazuje lepkość wody. Kolejna właściwość pojawia się, gdy temperatura spada do czterech stopni. Gdy woda ostygnie do tego punktu, staje się lżejsza. Dlatego lód zawsze unosi się na powierzchni wody i twardnieje, tworząc skorupę pokrywającą rzeki i jeziora. Dzięki temu ryby nie zamarzają w zbiornikach zamarzających zimą.

Woda jako przewodnik prądu elektrycznego

Najpierw powinieneś dowiedzieć się, czym jest przewodność elektryczna (w tym wody). Przewodność elektryczna to zdolność substancji do przewodzenia Elektryczność. Odpowiednio przewodność elektryczna wody to zdolność wody do przewodzenia prądu. Zdolność ta zależy bezpośrednio od ilości soli i innych zanieczyszczeń w cieczy. Na przykład przewodność elektryczna wody destylowanej jest prawie zminimalizowana ze względu na fakt, że taka woda jest oczyszczana z różnych dodatków, które są niezbędne dla dobrej przewodności elektrycznej. Doskonałym przewodnikiem prądu jest woda morska, w której występuje bardzo duże stężenie soli. Przewodność elektryczna zależy również od temperatury wody. Im wyższa temperatura, tym większa przewodność elektryczna wody. Ten wzór został ujawniony w wyniku wielu eksperymentów fizyków.

Pomiar przewodności wody

Istnieje taki termin - konduktometria. Tak nazywa się jedna z metod analizy elektrochemicznej bazującej na przewodności elektrycznej roztworów. Metodę tę stosuje się do oznaczania stężenia soli lub kwasów w roztworach, a także do kontroli składu niektórych roztworów przemysłowych. Woda ma właściwości amfoteryczne. Oznacza to, że w zależności od warunków może wykazywać zarówno właściwości kwasowe, jak i zasadowe - działając zarówno jako kwas, jak i zasada.

Urządzenie użyte do tej analizy ma bardzo podobną nazwę - miernik przewodności. Za pomocą konduktometru mierzy się przewodność elektryczną elektrolitów w analizowanym roztworze. Być może warto wyjaśnić jeszcze jedno pojęcie – elektrolit. Jest to substancja, która po rozpuszczeniu lub stopieniu rozkłada się na jony, dzięki czemu następnie przewodzony jest prąd elektryczny. Jon jest cząstką naładowaną elektrycznie. W rzeczywistości konduktometr, biorąc za podstawę pewne jednostki przewodności elektrycznej wody, określa jej specyficzną przewodność elektryczną. Oznacza to, że określa przewodność elektryczną określonej objętości wody przyjętej jako jednostka początkowa.

Jeszcze przed początkiem lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku do oznaczania przewodności elektrycznej używano jednostki miary „mo”; była to pochodna innej wielkości – om, który jest podstawową jednostką oporu. Przewodność elektryczna jest wielkością odwrotnie proporcjonalną do rezystancji. Teraz jest to mierzone w Siemensach. Ilość ta otrzymała swoją nazwę na cześć fizyka z Niemiec - Wernera von Siemensa.

Siemensa

Siemens (może być oznaczony jako Cm lub S) jest odwrotnością Ohma, który jest jednostką miary przewodności elektrycznej. Jeden cm równa się dowolnemu przewodnikowi, którego rezystancja wynosi 1 om. Siemens wyraża się wzorem:

• 1 cm = 1: Om = A: B = kg −1 m −2 s³A², gdzie
  A - amper,
  V - wolt.

Przewodność cieplna wody

Porozmawiajmy teraz o zdolności substancji do transportu energia cieplna. Istota zjawiska polega na tym energia kinetyczna atomy i cząsteczki określające temperaturę danego ciała lub substancji podczas interakcji przenoszą się do innego ciała lub substancji. Innymi słowy, przewodność cieplna to wymiana ciepła między ciałami, substancjami, a także między ciałem a substancją.

Przewodność cieplna wody jest również bardzo wysoka. Ludzie na co dzień korzystają z tej właściwości wody, nawet tego nie zauważając. Np. nalanie zimnej wody do pojemnika i schładzanie w nim napojów lub jedzenia. Zimna woda pobiera ciepło z butelki lub pojemnika, oddając w zamian zimno; możliwa jest również reakcja odwrotna.

Teraz to samo zjawisko można łatwo wyobrazić sobie w skali planetarnej. Ocean nagrzewa się latem, a następnie wraz z nadejściem chłodów powoli się ochładza i oddaje ciepło do powietrza, ogrzewając w ten sposób kontynenty. Ocean, ochładzający się zimą, zaczyna nagrzewać się bardzo powoli w porównaniu do lądu i oddaje swój chłód kontynentom ginącym w letnim słońcu.

Gęstość wody

Powyżej opisano, że ryby żyją w stawie zimą, ponieważ woda na całej ich powierzchni twardnieje i tworzy skorupę. Wiemy, że woda zaczyna zamieniać się w lód już w temperaturze zero stopni. Ponieważ gęstość wody jest większa od jej gęstości, woda unosi się na powierzchni i zamarza.

właściwości wody

Również woda o godz różne warunki może być zarówno środkiem utleniającym, jak i środkiem redukującym. Oznacza to, że woda oddając swoje elektrony, zostaje naładowana dodatnio i utlenia się. Albo przejmuje elektrony i zostaje naładowany ujemnie, co oznacza, że ​​zostaje przywrócony. W pierwszym przypadku woda utlenia się i nazywa się ją martwą. Ma bardzo silne właściwości bakteriobójcze, ale nie trzeba go pić. W drugim przypadku woda żyje. Orzeźwia, pobudza organizm do regeneracji i dodaje energii komórkom. Różnicę pomiędzy tymi dwoma właściwościami wody wyraża się terminem „potencjał oksydacyjno-redukcyjny”.

Z czym może reagować woda?

Woda może reagować z prawie wszystkimi substancjami istniejącymi na Ziemi. Tyle, że aby te reakcje zaszły, trzeba zapewnić odpowiednią temperaturę i mikroklimat.

Na przykład kiedy temperatura pokojowa woda dobrze reaguje z metalami takimi jak sód, potas, bar – nazywane są one aktywnymi. Z halogenami - jest to fluor, chlor. Po podgrzaniu woda dobrze reaguje z żelazem, magnezem, węglem i metanem.

Za pomocą różnych katalizatorów woda reaguje z amidami, estrami kwasy karboksylowe. Katalizator to substancja, która zdaje się popychać składniki do wzajemnej reakcji, przyspieszając ją.

Czy gdziekolwiek poza Ziemią jest woda?

Jeszcze nie na żadnej planecie Układ Słoneczny poza Ziemią nie znaleziono wody. Tak, sugerują jego obecność na satelitach takich gigantycznych planet jak Jowisz, Saturn, Neptun i Uran, ale jak dotąd naukowcy nie mają dokładnych danych. Istnieje inna hipoteza, jeszcze nie do końca zweryfikowana, na temat wody gruntowe na planecie Mars i na satelicie Ziemi - Księżycu. Jeśli chodzi ogólnie o Marsa, wysunięto wiele teorii mówiących, że na tej planecie istniał kiedyś ocean i to wszystko możliwy model nawet zaprojektowane przez naukowców.

Poza Układem Słonecznym znajduje się wiele dużych i małych planet, na których zdaniem naukowców może znajdować się woda. Ale jak dotąd nie ma najmniejszej okazji, aby się tego upewnić.

Jak przewodność cieplna i elektryczna wody jest wykorzystywana do celów praktycznych

Ze względu na to, że woda ma dużą pojemność cieplną, stosowana jest w sieciach grzewczych jako czynnik chłodzący. Zapewnia transfer ciepła od producenta do konsumenta. Wiele elektrowni jądrowych wykorzystuje również wodę jako doskonałe chłodziwo.

W medycynie lód służy do chłodzenia, a para do dezynfekcji. Lód stosowany jest także w systemie cateringu publicznego.

W wielu reaktorach jądrowych woda służy jako moderator zapewniający pomyślne wystąpienie jądrowej reakcji łańcuchowej.

Woda pod ciśnieniem służy do rozłupywania, łamania, a nawet cięcia skały. Jest to aktywnie wykorzystywane przy budowie tuneli, obiektów podziemnych, magazynów i metra.

Wniosek

Z artykułu wynika, że ​​woda w swoich właściwościach i funkcjach jest najbardziej niezastąpioną i niesamowitą substancją na Ziemi. Czy życie człowieka lub jakiejkolwiek innej żywej istoty na Ziemi zależy od wody? Absolutnie tak. Czy ta substancja pomaga w zarządzaniu działalność naukowa osoba? Tak. Czy woda ma przewodność elektryczną, przewodność cieplną i inne korzystne właściwości? Odpowiedź również brzmi „tak”. Inną sprawą jest to, że na Ziemi jest coraz mniej wody, a zwłaszcza wody czystej. A naszym zadaniem jest zachowanie i ochrona go (a więc i nas wszystkich) przed wyginięciem.

Współczynnik przewodności cieplnej jest parametrem fizycznym substancji i ogólnie zależy od temperatury, ciśnienia i rodzaju substancji. W większości przypadków współczynnik przewodzenia ciepła dla różnych materiałów określa się eksperymentalnie różnymi metodami. Większość z nich opiera się na pomiarach Przepływ ciepła i gradient temperatury w badanej substancji. Współczynnik przewodzenia ciepła λ, W/(m×K) wyznacza się z zależności: z której wynika, że ​​współczynnik przewodzenia ciepła jest liczbowo równy ilości ciepła przechodzącego w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni izotermicznej o gradient temperatury równy jedności. Przybliżone wartości współczynnika przewodności cieplnej różnych substancji pokazano na ryc. 1.4 Ponieważ ciała mogą mieć różne temperatury, a w przypadku wymiany ciepła temperatura w samym ciele będzie nierównomiernie rozłożona, tj. Przede wszystkim ważne jest poznanie zależności współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury. Eksperymenty pokazują, że dla wielu materiałów, z wystarczającą do praktyki dokładnością, zależność współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury można założyć liniowo: gdzie λ 0 jest wartością współczynnika przewodzenia ciepła w temperaturze t 0 ; b jest stałą wyznaczaną eksperymentalnie.

Współczynnik przewodności cieplnej gazów. Zgodnie z teorią kinetyczną o przenoszeniu ciepła poprzez przewodność cieplną w gazach przy zwykłych ciśnieniach i temperaturach decyduje przekazywanie energii kinetycznej ruchu molekularnego w wyniku chaotycznego ruchu i zderzenia poszczególnych cząsteczek gazu. W tym przypadku współczynnik przewodności cieplnej określa się zależnością: Gdzie- Średnia prędkość ruch cząsteczek gazu, - średnia droga swobodna cząsteczek gazu pomiędzy zderzeniami, - pojemność cieplna gazu przy stałej objętości, - gęstość gazu. Wraz ze wzrostem ciśnienia gęstość wzrasta równomiernie, długość ścieżki maleje, a produkt pozostaje stały. Dlatego współczynnik przewodności cieplnej nie zmienia się zauważalnie wraz ze zmianami ciśnienia. Wyjątkiem są bardzo niskie (poniżej 2,66 × 10 3 Pa) i bardzo wysokie (2 × 10 9 Pa) ciśnienia. Średnia prędkość ruchu cząsteczek gazu zależy od temperatury: gdzie R μ jest uniwersalną stałą gazową równą 8314,2 J/(kmol×K); μ to masa cząsteczkowa gazu; T - temperatura, K. Pojemność cieplna gazów rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Wyjaśnia to fakt, że współczynnik przewodności cieplnej gazów rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Współczynnik przewodzenia ciepła λ gazów waha się od 0,006 do 0,6 W/(m×K). Na ryc. 1.5 przedstawia wyniki pomiarów współczynnika przewodności cieplnej różnych gazów przeprowadzonych przez N. B. Vargaftika. Wśród gazów hel i wodór wyraźnie wyróżniają się współczynnikiem przewodności cieplnej. Ich współczynnik przewodności cieplnej jest 5-10 razy większy niż w przypadku innych gazów. Jest to wyraźnie widoczne na ryc. 1.6. Cząsteczki helu i wodoru mają niską masę i dlatego charakteryzują się dużą średnią prędkością ruchu, co wyjaśnia ich wysoki współczynnik przewodności cieplnej. Współczynniki przewodzenia ciepła pary wodnej i innych gazów rzeczywistych, które znacznie różnią się od idealnych, również silnie zależą od ciśnienia. Dla mieszaniny gazów Współczynnika przewodności cieplnej nie można określić na podstawie prawa addytywności; należy go wyznaczyć eksperymentalnie.

Rys. 1.5 Współczynniki przewodności cieplnej gazów.

1-para wodna; 2-dwutlenek węgla; 3-powietrzny; 4-argon; 5-tlen; 6-azot

Ryż. 1.6 Współczynniki przewodności cieplnej helu i wodoru.

Współczynnik przewodności cieplnej cieczy. Mechanizm propagacji ciepła w cieczach kropelkowych można przedstawić jako przenoszenie energii poprzez niezgodne oscylacje sprężyste. Ta teoretyczna koncepcja mechanizmu wymiany ciepła w cieczach, wysunięta przez A. S. Predvoditeleva, została wykorzystana przez N. B. Vargaftika do opisania danych eksperymentalnych dotyczących przewodności cieplnej różnych cieczy. W przypadku większości cieczy teoria została dobrze potwierdzona. Na podstawie tej teorii otrzymano wzór na współczynnik przewodzenia ciepła w postaci: gdzie jest pojemnością cieplną cieczy pod stałym ciśnieniem; jest gęstością cieczy; μ - masa cząsteczkowa. Współczynnik A, proporcjonalny do prędkości propagacji fal sprężystych w cieczy, nie zależy od charakteru cieczy, lecz od temperatury, natomiast Ac p ≈const. Ponieważ gęstość ρ cieczy maleje wraz ze wzrostem temperatury, z równania (1.21) wynika, że ​​dla cieczy o stałym ciężarze cząsteczkowym (ciecze niezwiązane i słabo związane) współczynnik przewodności cieplnej powinien maleć wraz ze wzrostem temperatury. Dla cieczy silnie powiązanych (woda, alkohole itp.) we wzorze (1.21) należy wprowadzić współczynnik asocjacji uwzględniający zmianę waga molekularna. Współczynnik asocjacji zależy również od temperatury i dlatego w różnych temperaturach może w różny sposób wpływać na współczynnik przewodności cieplnej. Doświadczenia potwierdzają, że dla większości cieczy współczynnik przewodzenia ciepła λ maleje wraz ze wzrostem temperatury, z wyjątkiem wody i gliceryny (rys. 1.7). Współczynnik przewodzenia ciepła cieczy kropelkowej mieści się w przybliżeniu w przedziale od 0,07 do 0,7 W/(m×K). Wraz ze wzrostem ciśnienia zwiększają się współczynniki przewodności cieplnej cieczy.

Ryż. 1.7 Współczynniki przewodności cieplnej różnych cieczy.

olej 1-wazelinowy; 2-benzen; 3-aceton; 4-olej rycynowy; alkohol 5-etylowy; alkohol 6-metylowy; 7-glicerol; 8-woda.

Współczynnik przewodności cieplnej ciał stałych. W metalach głównym nośnikiem ciepła jest wolne elektrony, który można porównać do idealnego gazu jednoatomowego. Przenoszenie ciepła za pomocą ruchów wibracyjnych atomów lub w postaci elastycznej fale dźwiękowe nie można wykluczyć, ale jego udział jest niewielki w porównaniu z przenoszeniem energii przez gaz elektronowy. Ze względu na ruch wolnych elektronów temperatura wyrównuje się we wszystkich punktach nagrzewającego się lub chłodzącego metalu. Swobodne elektrony przemieszczają się zarówno z obszarów bardziej nagrzanych do obszarów mniej nagrzanych, jak i w przeciwnym kierunku. W pierwszym przypadku dają energię atomom, w drugim ją odbierają. Ponieważ w metalach nośnikiem energii cieplnej są elektrony, współczynniki przewodności cieplnej i elektrycznej są do siebie proporcjonalne. Wraz ze wzrostem temperatury, z powodu zwiększonych niejednorodności termicznych, wzrasta rozpraszanie elektronów. Pociąga to za sobą zmniejszenie współczynników przewodności cieplnej i elektrycznej czystych metali (ryc. 1.8). W obecności różnego rodzaju zanieczyszczenia, przewodność cieplna metali gwałtownie spada. To ostatnie można wytłumaczyć wzrostem niejednorodności strukturalnej, co prowadzi do rozpraszania elektronów. I tak np. dla czystej miedzi λ= 396 W/(m×K), dla tej samej miedzi ze śladami arsenu λ= 142 W/(m×K). W przeciwieństwie do czystych metali współczynniki przewodności cieplnej stopów rosną wraz ze wzrostem temperatury (ryc. 1.9). W dielektrykach współczynnik przewodności cieplnej zwykle wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (ryc. 1.10). Z reguły w przypadku materiałów o większej gęstości współczynnik przewodzenia ciepła ma wyższą wartość. Zależy to od struktury materiału, jego porowatości i wilgotności.

Ryż. 1.8 Zależność współczynnika przewodzenia ciepła od temperatury dla niektórych czystych metali.

Wiele materiałów budowlanych i termoizolacyjnych ma porowatą strukturę (cegła, beton, azbest, żużel itp.), a zastosowanie prawa Fouriera do takich ciał jest w pewnym stopniu warunkowe. Obecność porów w materiale nie pozwala na uznanie takich ciał za ośrodek ciągły. Współczynnik przewodności cieplnej porowatego materiału jest również warunkowy. Wielkość ta oznacza współczynnik przewodzenia ciepła pewnego jednorodnego ciała, przez które przy tym samym kształcie, rozmiarze i temperaturze na granicach przechodzi taka sama ilość ciepła, jak przez dane ciało porowate. Współczynnik przewodności cieplnej ciał sypkich i porowatych silnie zależy od ich gęstości. Na przykład, gdy gęstość ρ wzrasta z 400 do 800 kg/m 3, współczynnik przewodności cieplnej azbestu wzrasta z 0,105 do 0,248 W/(m×K). Ten wpływ gęstości ρ na współczynnik przewodzenia ciepła tłumaczy się faktem, że przewodność cieplna powietrza wypełniającego pory jest znacznie mniejsza niż stałych składników materiału porowatego. Efektywny współczynnik przewodności cieplnej materiałów porowatych również silnie zależy od wilgotności. W przypadku materiału mokrego współczynnik przewodzenia ciepła jest znacznie większy niż w przypadku materiału suchego i wody osobno. Przykładowo dla cegły suchej λ = 0,35, dla wody λ = 0,60, a dla cegły mokrej λ≈1,0 W/(m×K). Efekt ten można wytłumaczyć konwekcyjnym przekazywaniem ciepła wynikającym z ruchu kapilarnego wody w porowatym materiale, a częściowo faktem, że wilgoć związana chłonnie ma inne właściwości w porównaniu z wodą wolną. Wzrost współczynnika przewodzenia ciepła materiałów ziarnistych wraz ze zmianą temperatury można wytłumaczyć faktem, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta przewodność cieplna ośrodka wypełniającego przestrzenie między ziarnami, a przenoszenie ciepła przez promieniowanie masy ziarnistej również wzrasta. Współczynniki przewodzenia ciepła materiałów budowlanych i termoizolacyjnych przyjmują wartości od około 0,023 do 2,9 Wt/(m×K). Materiały o niskim współczynniku przewodzenia ciepła [poniżej 0,25 W/(m×K)], stosowane zwykle do izolacji termicznej, nazywane są termoizolacją.

Teorie zjawisk transportu oparte na statystycznej metodzie Gibbsa postawiły sobie za zadanie uzyskanie równań kinetycznych, z których można znaleźć konkretny typ funkcje rozkładu nierównowagowego. Zakłada się, że funkcja rozkładu nierównowagowego układu ma postać quasi-równowagową, a temperatura, gęstość liczbowa cząstek i ich średnia prędkość zależą od

współrzędne czasoprzestrzenne. Korelację kolejnych zderzeń uzyskuje się poprzez uwzględnienie nie tylko zderzeń twardych (spowodowanych odpychaniem), ale także tzw. zderzeń miękkich (spowodowanych przyciąganiem), w wyniku których cząstki poruszają się po zakrzywionych trajektoriach.

Najbardziej znana jest metoda Kirkwooda, w której miękkie uderzenia wyznaczają współczynnik tarcia. Według Einsteina-Smoluchowskiego współczynnik tarcia

gdzie stała Boltzmanna, T - temperatura absolutna i współczynnik samodyfuzji.

Korelacja oddziaływania otaczających cząstek z daną cząstką według Kirkwooda przeprowadzana jest w charakterystycznym czasie t, po którym siły działające na daną cząstkę od innych cząstek uważa się za nieskorelowane. Ponadto należy przyjąć wielkość czasu korelacji oddziaływania być krótszy niż charakterystyczny czas relaksacji makroskopowych właściwości substancji.

Dla współczynnika przewodności cieplnej Kirkwood otrzymuje następujące wyrażenie

gdzie jest liczbą cząstek na jednostkę objętości, funkcją rozkładu równowagi promieniowej cząstek i potencjałem sił pary.

Dodatkowo, aby obliczyć No za pomocą tego wzoru, trzeba z dużą dokładnością znać nie tylko jego pochodne, ale także (co samo w sobie jest w tej chwili problemem praktycznie nierozwiązalnym) Niedawno wykazano, że współczynników kinetycznych nie da się bezpośrednio rozwinąć na szereg według stopni gęstości, jak mówi Kirkwood, ale konieczne jest zastosowanie bardziej złożonego rozkładu. Wynika to z konieczności uwzględnienia powtarzających się zderzeń cząstek już skorelowanych

wyniku wcześniejszych zderzeń z innymi cząstkami. W związku z tymi trudnościami konieczne jest odwołanie się do modelowych metod badawczych.

Wśród praca modelarska Interesujące są prace oparte na koncepcjach natury ruchu termicznego w cieczach, w którym przenoszenie ciepła wyznaczane jest poprzez hiperakustyczne oscylacje ośrodka (fonony). Podejście to uwzględnia zbiorowy charakter ruchu cząsteczek w cieczy. W tym przypadku przewodność cieplną K określa się na przykład w następujący sposób (wzór Sakiadisa i Kotesa)

gdzie jest prędkość hiperdźwięku; pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu, średnia odległość między cząsteczkami, gęstość.

Oprócz podejścia modelowego istnieją także zależności półempiryczne dotyczące przewodności cieplnej (Filippov,

Przewodność cieplna jest około 5 razy mniejsza niż przewodność cieplna (Tabela 43). Czterochlorek węgla to zwykła ciecz, dla której, podobnie jak w przypadku wszystkich innych cieczy, prędkość dźwięku maleje wraz ze wzrostem temperatury, maleje przewodność cieplna i wzrasta pojemność cieplna. W przypadku wody o niskich temperaturach sytuacja jest odwrotna. Charakter zmiany wszystkich tych właściwości w wodzie przypomina charakter ich zmiany dla zwykłych substancji w stanie gazowym. W rzeczywistości przewodność cieplna gazu wzrasta wraz ze wzrostem temperatury

Średnia prędkość molekularna, pojemność cieplna i średnia droga swobodna).

Na przykład poniżej znajduje się zależność przewodności cieplnej powietrza w ciśnienie atmosferyczne dla zakresu temperatur.

Zmianę przewodności cieplnej podczas topnienia lodu I i dalszą zmianę T wraz ze wzrostem temperatury ciekłej wody pokazano na rys. 57, z którego widać, że przewodność cieplna podczas topienia lodu I zmniejsza się w przybliżeniu

Tabela 43 (patrz skan) Zależności temperaturowe przewodności cieplnej wody i czterochlorku węgla

4 razy. Badanie zmian przewodności cieplnej przechłodzonej wody do -40°C pokazuje, że przechłodzona woda nie ma żadnych cech w temperaturze 0°C (Tabela 43). Aby zilustrować normalne zachowanie przewodności cieplnej w temperaturze, przedstawiono zależność przewodności cieplnej od temperatury. Przewodność cieplna maleje monotonicznie wraz ze wzrostem temperatury.

Wszystkie normalne ciecze wraz ze wzrostem ciśnienia zmieniają znak zmiany przewodności cieplnej wraz z temperaturą. W przypadku dużej klasy cieczy zmiana ta zachodzi pod ciśnieniem. Przewodność cieplna wody nie zmienia jej charakteru zależność od temperatury pod presją. Względna wielkość wzrostu przewodności cieplnej wody pod ciśnieniem wynosi -50%, podczas gdy dla

dla innych normalnych cieczy wzrost ten przy tym samym ciśnieniu wynosi (Rys. 58).

Zależność K od ciśnienia wody pokazano na ryc. 58. Tak niewielki względny wzrost przewodności cieplnej wody wraz ze wzrostem ciśnienia wiąże się z niską ściśliwością wody w porównaniu z innymi cieczami, co jest zdeterminowane charakterem sił oddziaływania międzycząsteczkowego.

Ryż. 57. Zależność przewodności cieplnej wody od temperatury

Ryż. 58. Zależność temperaturowa przewodności cieplnej i oleju silikonowego dla szeregu ciśnień