Когда расширяется вода в сосудах
Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?
Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?
Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.
Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню – он лопнет.
Молекулы воды требуют больше места
Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?
Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.
Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного – кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот – отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.
Воде нужно больше места при ее охлаждении
В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.
Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.
При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.
Интересный феномен
Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.
Источник
Добрый день наш уважаемый читатель. Получая часто вопросы от наших клиентов в 90% процентов из всех случаев, мы даем быстрые, четкие и грамотные ответы нашему собеседнику. Дело в том, что нашего богатого опыта работа отлично хватает чтобы закрыть потребности среднестатистического клиента или спикера.
Развернуто и не очень мы уже отвечали в нашем блоге людям на следующие вопросы:
Поставленная задача
Сейчас перед нами встала следующая задача вот такого содержания: есть сосуд с неизменяемым объемом жидкости внутри него. Предположим, что сосуд состоит из обыкновенного железа, например, возьмем простой накопительный бойлер (V = 50 литров). Начальное давление в системе 2 атмосферы, начальная температура воды Т1 = 17 градусов цельсия, конечная температура после нагрева Т2 = 57 градусов цельсия. Исходные параметры могут быть разные, но конечная задача, на которую нужно получить ответ будет следующая: какое давление будет в закрытом сосуде при нагреве воды до указанной температуры Т2, если учесть, что краны на сосуде (вход и выход) находятся в положении закрыто, и начальный объем не изменяется??? Давление можно снимать (измерять) при помощи встроенного или выносного трубного манометра. Расширительного бака нет. Все для эксперимента.
Остаемся на связи в любой момент! Компания Монтажник работает для Вас!
Закон и формула Шарля
Начав решать эту задачу, каждый может прибегнуть к такому ответу: «да ладно, это же задачка за 7 класс, тут нужно применять формулу известного физика Шарля, Вы что учебник физики не читали?». Далее следует решение:
Формула: (273+t2)/(273+t1)=коэффициент увеличения давления от исходного.
(273+57)/(273+17)=330/290=1.13.
1.13 умножаем на 2 получаем что давление будет равно 2.26 после нагрева жидкости с 17 до 57 на 40 единиц.
Ну дела, вот же решение, зачем страдать дальше? Но нет друзья, это решение конечно же хорошее – но применимо только для изохорных идеальных газов, но не в коем случае не для жидкости, представленной у нас на примере воды.
Едем дальше изучая попутно других известных святил физики, и воуля мы натыкаемся на еще одно решение.
Для расчетов берем исходные данные из чего изготовлен сосуд, у нас это железо. Коэффициент объёмного расширения железа стабильно одинаковый, берем за основу среднее значение 0,000036, а вот коэффициент объема воды изменяется в зависимости от ее нагрева. Примерно 0,00015 при 20 градусах цельсия и 0,00045 при 60 градусах цельсия. Среднее значение путем сложения из двух данных получаем 0,00030.
Чтобы посчитать объем во сколько увеличиться объем в сосуде воспользуемся формулой: 1 + коэффициент расширения железа * (t2-t1).
В цифрах будет выглядеть так: 1 + 0,000036 * (57 – 17) = 1.002;
В качестве информационной нагрузки узнаем еще на сколько бы увеличился V воды если бы она была вне сосуда: 1 + 0,0003 * (57 – 17) = 1,012. Далее все упирается на сколько же прочный Ваш сосуд и не раздует ли его при повышении давления.
Чтобы узнать процентное увеличение объема воды с воздействием на сосуд воспользуемся следующей формулой подставим все цифры: 1,012 / 1,002 * 100 – 100 = 1 %.
Обратившись к учебнику физики, мы узнаем, что при давлении каждой атмосферы объем воды уменьшается на 0,000006. Например, 50 литров, при одной атмосфере сожмется на 0,001 и будет 49.999. Зато по сравнению с газами сжимаемость жидкостей действительно ничтожна: в десятки тысяч раз меньше.
Если объём воды при 2 атм = 50 литров, то при 500 атм объём станет примерно на 1 литр меньше. (разница в двух числах 2%).
1%/2% * 500 = 250 атмосфер, то значение при котором по идее должно разорвать Ваш бак и то давление которое будет у вас при нагреве. Честно, считаем это какой-то бред и не он никак не сочетается с реальными жизненными показателями, полученными в ходе эксперимента.
Изучав дальше интернет и опираясь на наши знания всех из коллег нашего отдела было перепробовано масса различных вариантов и изучено мнений других людей, которые потом можно было бы использоваться для выявления формулы по нашей задаче:
Вода при нагревании увеличивается в объеме до 4%, т.е. 50 наших литров должны превратиться в 52 литра за счет ее расширения, но применить данную теорию в нашем вопросе нам пока не удалось. Мы даже изучили соотношение плотности льда к плотности воды и поняли объем в этом случае увеличивается на 11 процентов.
Есть мнение (алгоритм) с нашей стороны что ни одну из формул применить тут нельзя, так как в баке или бойлере представленным нами невозможно заполнить его на все 100% жидкостью, какую часть в одной жидкости все равно будет составлять воздух, который в этом случае будет работать как расширительный бак и возможно поэтому те 800 атмосфер которые получаются у разных людей нормализуются тем количеством воздуха который содержаться в сосуде.
Если Вы физик или технически подкованный человек, разбираетесь в данном вопросе и готовы разрешить наш спор и получить ответ на поставленную задачу – ждем Ваших решений под этой записью в комментариях.
Со своей стороны хотим так же сказать, что при проведении реального эксперимента и нагрева воды в бойлере с 18-20 градусов до 50, давление поднялось по манометру с 1.5 очков (бар, атмосфер) примерно и до 5 бар.
Спасибо за проявленный труд, терпение и прочтение данной статьи. Надеемся что этот вопрос решится в ближайшее время и мы найдем грамотный ответ.
Всего Вам доброго и приятного дня.
Другие полезные записи в блоге – только для Вас!
- Котел КСУВ наружного размещения. Почему он является лучшим из всех? Технические особенности, выбор большинства организаций. Котельная больше не нужна. Устанавливай прямо со зданием.
- История на “миллион”, как мы помогли ДОЛ “Лесное озеро”. Крупный DIY проект России, сделай сам!
- Тепловой пункт: какой промышленный котел выбрать?
- Наглядный ремонт КЧМ руками наших специалистов.
- ОАО “Кировский завод” банкрот. Какая судьба ожидает котлы КЧМ-5, КЧМ-5К, КЧМ-7 Гном?
- Почему в котлах КЧМ-5К не используются колосники? Техническая информация и не только.
- Все основные запасные части к котлу КЧМ, артикулы, описание и много полезной информации.
- Лемакс – лучшее соотношение цена/качество в бытовых котлах.
- 1000 колосников на складе компании МОНТАЖНИК – новый завоз.
- Что такое колосник? Расскажем все очень подробно.
- Почему котлы ИШМА покупают 90 из 100 клиентов. Лучшее соотношение цены-качества.
- Лучший конкурент котла Buderus, Valliant, Protherm – это Кентатсу (Kentatsu) – или как мы его называем один в поле ВОИН! А так же там мы ответили на вопрос, что лучше русский КЧМ или Турецкояпонский гигант?
- Полная подробная инструкция по монтажу промышленных котлов
- Посмотреть все статьи и новости
Наши отправки (отгрузки), услуги и выполненные работы:
Статьи посвященные нашим отгрузкам не только поднимают наш авторитет как считаем мы, но они направлены на увеличение доверия со стороны потенциальных клиентов. Нам нечего скрывать – мы делимся с Вами своими продажами и успехами. У нас нет скрытых продаж и ухода от налогов. Мы стараемся делать наше с Вами сотрудничество и работу максимально прозрачными. Мы хотим чтобы Вы доверяли нашей команде!
Если у Вас есть идеи о том, о том что Вы бы хотели увидеть на нашем канале. То присылайте их на нашу легкую почту: 426909@bk.ru. Если Вам понравилась статья оцените ее, поставьте палец вверх слева экрана (если Вы читаете ее с компьютера), а также подпишитесь на наш блог, Вас ждет много полезной и интересной информации.
С вами на связи была компания ООО “Монтажник” – официальный дистрибьютор нескольких заводов изготовителей по всей стране. По вопросам приобретения котлов, насосов и другого сопутствующего оборудования (запчасти, дымоходы, автоматика) можете обращаться по телефонам: 8(47354) 2-55-25; 2-69-09 или на электронную почту: 426909@bk.ru или montagnikvrn@yandex.ru.
Наш логотип
Отзывы о нашей компании:
15 лет на рынке – ни одного плохого отзыва за все время работы.
Посмотреть все отзывы.
СПАСИБО ЧТО ОСТАЕТЕСЬ С НАМИ! Рассказывайте друзьям, делитесь материалом со своими знакомыми. Нам важен каждый.
Компания которая относится к своему клиенту с ДУШОЙ!
Заказ через наш интернет магазин
Источник
Материал из ТеплоВики – энциклопедия отоплении
Наиболее важными свойствами воды являются:
- теплоёмкость;
- изменение объема при нагреве и при охлаждении;
- характеристики кипения при изменении внешнего давления;
- кавитация.
Физические свойства воды
Удельная теплоемкость
Важным свойством любого теплоносителя является его теплоёмкость. Если выразить ее через массу и разность температур теплоносителя, то получится удельная теплоёмкость.
Она обозначается буквой c и имеет размерность кДж/(кг • K)
Удельная теплоемкость — это количество тепла, которое необходимо передать 1 кг вещества (например, воды), чтобы нагреть его на 1 °C. И наоборот, вещество отдает такое же количество энергии при охлаждении.
Среднее значение удельной теплоемкости воды в диапазоне между 0 °C и 100 °C составляет:
c = 4,19 кДж/(кг • K) или c = 1,16 Втч/(кг • K)
Количество поглощаемого или выделяемого тепла Q, выраженное в Дж или кДж, зависит от массы m,
выраженной в кг, удельной теплоемкости c и разности температур, выраженной в K.
В системах отопления — это разность температур в прямом и обратном трубопроводе. Полученная формула:
Q = m • c • Δϑ
m= V • ρ
V = Объем воды в м3
ρ = Плотность в кг/м3
Масса m — это объем воды V, выраженный в м3, умноженный на плотность ρ воды, выраженную в кг/м3. Таким образом, формулу можно представить в следующем виде:
Q = V • ρ • c ( ϑV – ϑR)
Известно, что плотность воды меняется в зависимости от ее температуры. Однако, чтобы упростить расчеты, используется = 1 кг/дм3 в диапазоне от 4 °C до 90 °C.
Физические термины “энергия”, “работа” и “количество тепла” эквивалентны.
Следующая формула используется для преобразования джоулей в другие размерности:
1 Дж = 1 Нм = 1 Втс или 1 МДж = 0,278 кВтч
Увеличение и уменьшение объема
Изменение объема воды
Когда вода нагревается или охлаждается, ее плотность уменьшается.
Все природные материалы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Единственным исключением из этого правила является вода. Это уникальное ее свойство называется аномалией воды.
Вода имеет наибольшую плотность при +4 °C, при которой 1 дм3 = 1 л имеет массу 1 кг.
Если вода нагревается или охлаждается относительно этой точки, ее объем увеличивается, что означает уменьшение плотности, т. е. вода становится легче.
Это можно отчетливо наблюдать на примере резервуара с точкой перелива.
В резервуаре находится ровно 1000 см3 воды с температурой +4 °C. При нагревании воды некоторое количество выльется из резервуара в мерную емкость. Если нагреть воду до 90 °C, в мерную емкость выльется ровно 35,95 см3, что соответствует 34,7 г.
Характеристики кипения воды
Изменение агрегатного состояния при повышении температуры
Если воду нагревать в открытой емкости, она закипит при температуре 100 °C. Если измерять температуру кипящей воды, окажется, что она остается равной 100 °C пока не испарится последняя капля. Таким образом, постоянное потребление тепла используется для полного испарения воды, т. е. изменения ее агрегатного состояния. Эта энергия также называется латентной (скрытой) теплотой. Если подача тепла продолжается, температура образовавшегося пара снова начнет подниматься.
Описанный процесс приведен при давлении воздуха 101,3 кПа у поверхности воды. При любом другом давлении воздуха точка кипения воды сдвигается от 100 °C.
Если бы мы повторили описанный эксперимент на высоте 3000 м. — мы бы обнаружили, что вода там закипает уже при 90 °C. Причиной такого поведения является понижение атмосферного давления с высотой.
Чем ниже давление на поверхности воды, тем ниже будет температура кипения. И наоборот, температура кипения будет выше при повышении давления на поверхности воды. Это свойство используется, например, в скороварках.
График справа показывает зависимость температуры кипения воды от давления.
Температура кипения воды как функция давления
Давление в системах отопления намеренно повышается. Это помогает предотвратить образование пузырьков газа в критических рабочих режимах, а также предотвращает попадание наружного воздуха в систему.
Расширение воды при нагревании и защита от избыточного давления
Системы водяного отопления работают при температурах воды до 90 °C. Обычно система заполняется водой при температуре 15 °C, которая затем расширяется при нагревании. Нельзя допустить, чтобы это увеличение объема привело к возникновению избыточного давления и переливу жидкости.
Система отопления со встроенным предохранительным клапаном
Когда отопление отключается в летний период, объем воды возвращается к первоначальному значению. Таким образом, для обеспечения беспрепятственного расширения воды необходимо установить достаточно большой бак. Старые системы отопления имели открытые расширительные баки.
Они всегда располагались выше самого высокого участка трубопровода. При повышении температуры в системе, что приводило к расширению воды, уровень в баке также повышался. При снижении температуры он, соответственно, понижался.
Современные системы отопления используют мембранные расширительные баки (МРБ).
При повышении давления в системе нельзя допускать увеличения давления в трубопроводах и других элементах системы выше предельного значения. Поэтому обязательным условием для каждой системы отопления является наличие предохранительного клапана.
При повышении давления сверх нормы предохранительный клапан должен открываться и стравливать лишний объем воды, который не может вместить расширительный бак. Тем не менее, в тщательно спроектированной и обслуживаемой системе такое критическое состояние никогда не должно возникать.
Все эти рассуждения не учитывают тот факт, что циркуляционный насос еще больше увеличивает давление в системе.
Взаимосвязь между максимальной температурой воды, выбранным насосом, размером расширительного бака и давлением срабатывания предохранительного клапана должна быть установлена самым тщательным образом. Случайный выбор элементов системы — даже на основании их стоимости — в данном случае неприемлем.
Мембранный расширительный бак поставляется заполненным азотом. Начальное давление в расширительном мембранном баке должно быть отрегулировано в зависимости от системы отопления. Расширяющаяся вода из системы отопления поступает в бак и сжимает газовую камеру через диафрагму. Газы могут сжиматься, а жидкости — нет.
Компенсация изменения объема воды в системе отопления:
До заполнения системы водой
Система заполнена холодной водой
Система при макс. температуре воды
Давление
Определение давления
Давление — это статическое давление жидкостей и газов, измеренное в сосудах, трубопроводах относительно атмосферного
давления (Па, мбар, бар).
Статическое давление
Статическое давление — это давление неподвижной жидкости.
Статическое давление = уровень выше соответствующей точки измерения + начальное давление в расширительном баке.
Динамическое давление
Динамическое давление — это давление движущегося потока жидкости.
Давление нагнетания насоса
Это давление на выходе центробежного насоса во время его работы.
Перепад давления
Давление, развиваемое центробежным насосом для преодоления общего сопротивления системы. Оно измеряется между входом и выходом центробежного насоса.
Рабочее давление
Давление, имеющееся в системе при работе насоса.
Допустимое рабочее давление
Максимальное значение рабочего давления, допускаемого из условий безопасности работы насоса и системы.
Кавитация
Кавитация — это образование пузырьков газа в результате появления локального давления ниже давления парообразования перекачиваемой жидкости на входе рабочего колеса. Это приводит к снижению производительности (напора) и КПД и вызывает шумы и разрушение материала внутренних деталей насоса.
Из-за схлопывания пузырьков воздуха в областях с более высоким давлением (например, на выходе рабочего колеса) микроскопические взрывы вызывают скачки давления, которые могут повредить или разрушить гидравлическую систему. Первым признаком этого служит шум в рабочем
колесе и его эрозия.
Важным параметром центробежного насоса является NPSH (высота столба жидкости над всасывающим патрубком насоса). Он определяет минимальное давление на входе насоса, требуемое данным типом насоса для работы без кавитации, т. е. дополнительное давление, необходимое для предотвращения появления пузырьков.
На значение NPSH влияют тип рабочего колеса и частота вращения насоса. Внешними факторами, влияющими на данный параметр, являются температура жидкости, атмосферное давление.
Предотвращение кавитации
Чтобы избежать кавитации, жидкость должна поступать на вход центробежного насоса при определенной минимальной высоте всасывания, которая зависит от температуры и атмосферного давления.
Другими способами предотвращения кавитации являются:
- Повышение статического давления
- Понижение температуры жидкости (снижение давления парообразования PD)
- Выбор насоса с меньшим значением постоянного гидростатического напора (минимальная высота всасывания, NPSH)
Источник