Теплопроводность воды высокая: Теплопроводность воды и льда и их особенности

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Вода и лед: теплопроводность: Freepick

Теплопроводность 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).

Особенные свойства воды: Freepick

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

1. При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
2. 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:

1. Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
2. 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: Freepick

В 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:

1. 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.
2. Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
3. 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.
4. 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]

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.
 [8]

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

Теплопроводность воды — Thermtest

Краткое введение в уникальные тепловые свойства воды и ее сопротивление тепловому потоку.

Введение

Вода, несомненно, является одним из самых важных веществ на земле. Без воды жизнь на нашей планете прекратилась бы, так как она нужна всем живым организмам для выживания. Незаменимость воды во многом объясняется ее уникальной молекулярной структурой, поскольку она может существовать во всех трех состояниях вещества (твердом, жидком и газообразном) в относительно узком диапазоне температур. И вода, и пар обычно используются в процессах нагрева и охлаждения из-за их высокой доступности и теплоемкости.

Теплоемкость описывает количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 градус Цельсия, или, в более общем смысле, насколько хорошо вещество может сопротивляться изменению температуры. Килограмм воды может поглотить впечатляющие 4,184 кДж (1 калорию) энергии, прежде чем испытать повышение температуры на 1ºC. Для сравнения, чтобы поднять 1 кг меди на 1 ºC, требуется всего 0,385 кДж энергии. Эта разница в значениях показывает, почему научное сообщество называет воду жаждущей тепла. Естественная способность воды улавливать тепло делает ее отличным терморегулятором, поскольку она может легко контролировать температуру окружающей среды. Высокая теплоемкость воды также объясняет, почему прибрежные районы часто имеют более умеренный климат, чем регионы, расположенные дальше от суши. Более крупные водоемы, характерные для прибрежной среды, поглощают и сохраняют значительное количество тепла по сравнению с засушливыми регионами с более низкой плотностью, расположенными дальше вглубь суши. Вода сохраняет тепло значительно лучше, чем воздух, благодаря большей плотности и теплоемкости. Эти два тепловых свойства позволяют воде хранить больше энергии на единицу массы, чем такое же количество воздуха.

Рисунок 1: Прибрежное сообщество в Калифорнии – эти районы густонаселены из-за более мягкого годового климата

Теплоемкость воды

Высокая теплоемкость воды является основным фактором ее превосходной способности поглощать и накапливать тепло; однако это также может негативно повлиять на способность воды эффективно передавать тепло. С точки зрения теплопроводности вода классифицируется как плохой теплопроводник и действует как изолятор, сопротивляясь потоку тепла через нее. Поскольку молекулы воды «жадны» и любят удерживать поглощаемое ими тепло, они крайне неохотно обмениваются этой тепловой энергией с другими молекулами и веществами в окружающей их среде.

Материалы, хорошо проводящие тепло, как правило, содержат много свободных электронов. Электроны позволяют материалам эффективно проводить электричество, и чем больше свободных электронов имеет элемент, тем лучше он будет способствовать передаче тепла благодаря своей теплопроводности. Например, металлы обычно являются отличными теплопроводниками из-за большого количества свободных электронов, которые они имеют, и их уникальной структуры решетки молекулы.

Рисунок 2 – Схема, изображающая общую атомную структуру молекулы – электроны вращаются вокруг ядра.

Теплопроводность воды: заявка

Можно провести простой лабораторный эксперимент, который покажет низкую теплопроводность воды. В этом опыте кубик льда помещают на дно узкой стеклянной пробирки и удерживают там куском марли. Как только кубик льда закреплен марлей, оставшуюся часть пробирки заполняют водой. Когда пробирку нагревают, вода, находящаяся в верхней части пробирки, начинает кипеть, когда ее температура приближается к 100ºC. Даже когда вода начинает кипеть вверху, кубик льда остается относительно стабильным на дне пробирки, но почему? Вода, как и большинство других жидкостей и газов, является плохим проводником тепла, потому что большая часть теплопередачи, происходящей в воде, происходит через конвекционные потоки, которые остаются в верхней части пробирки. Эти тепловые ячейки, которые перемещаются и передаются за счет конвекции, не достигают областей ниже в трубе рядом с кубиком льда, что приводит к гораздо более медленному повышению температуры в этой области.

Рисунок 3: Конвекционные потоки, способствующие переносу тепла в воде.

Чистая вода по сравнению с ионной водой

В случае воды теплопроводность зависит не только от того, сколько свободных электронов присутствует. Жидкости вообще являются плохими теплопроводниками из-за того, как они движутся. Как показал эксперимент, описанный выше, при нагревании воды образуются конвекционные потоки, перемещающие тепло, однако эти потоки не распределяют тепло равномерно по всей среде или окружающей среде.

Другим фактором, который способствует высокой изменчивости теплопроводности воды, является присутствие растворенных ионов или молекул. Когда эти растворенные вещества сочетаются с неравномерным тепловым движением конвекционных потоков в воде, их присутствие может оказать серьезное влияние на способность воды переносить тепло и/или электричество. Вода рассматривается научным сообществом как «универсальный растворитель», так как это один из немногих материалов на земле, который может растворять самый широкий спектр веществ.

Сверхчистая деионизированная вода (с удалением всех электронов) будет действовать= как сильный изолятор. Если в эту «чистую воду» добавить небольшое количество поваренной соли (NaCl), теплопроводность и способность воды проводить электрический ток резко возрастут. Чистая вода также может называться дистиллированной водой и часто образуется из конденсированного пара. В нашей повседневной жизни мы редко сталкиваемся с чистой водой, так как она часто растворяет вещества, находящиеся вокруг нее. Чем больше растворенных веществ и ионов присутствует в образце воды, тем больше будет способность к передаче электричества и тем выше будет теплопроводность.

Рисунок 4: Лабораторный дисплей дистилляции воды.

K-значение и движение молекул воды

Физики, химики и многие другие ученые полагаются на тепловые свойства воды как на универсальную константу для расчета уникальных свойств других материалов относительно того, как они ведут себя при взаимодействии с водой. молекулы. Обычно теплопроводность материала упрощена до его «значения k» с теплопроводностью воды, называемой Kw. Теплопроводность воды при 20ºC составляет примерно 0,6 Вт/(мК) и напрямую связана с кинетической энергией молекул воды. Выдающуюся роль кинетической энергии в регулировании теплопередающих способностей материала можно непосредственно наблюдать, анализируя скорость и расстояние столкновения между молекулами. Как правило, чем выше скорость столкновения, тем выше будет значение k. Если расстояние столкновения больше, это создаст большую проблему для молекул, пытающихся столкнуться, и приведет к более низкому значению k. Для жидкостей, в которых нет водородных связей, по мере повышения температуры окружающей среды расстояние столкновения также увеличивается. Это связано с более низкой плотностью подложки, что приводит к более низкой теплопроводности. Когда вода с температурой ниже 130ºC испытывает повышение температуры, молекулы воды будут существовать в виде кластеров из-за водородных связей. Вместо того, чтобы каждая молекула отталкивалась дальше друг от друга, скорость столкновения будет увеличиваться, что приводит к более высокой теплопроводности. При температуре выше 130ºC разрушается большинство водородных связей и молекулы воды начинают вести себя по-другому. Если температура продолжит повышаться выше 130 ºC, увеличится и расстояние столкновения между молекулами, что приведет к еще большей теплопроводности.

Заключение

Сложность и изменчивость термических свойств молекул воды делают это вещество одним из самых уникальных на нашей планете. Это одна из немногих известных молекул, которые могут действовать как теплоизолятор и электрический проводник. Вода является строительным материалом для многих макромолекул и химических веществ, которые помогли создать жизнь такой, какой мы ее знаем сегодня. Точное значение теплопроводности воды значительно ниже, чем у многих других веществ, что в основном связано с переносом ею тепла в настоящее время посредством конвекции. Однако там, где воде не хватает способности переносить тепло, она компенсирует ее способностью накапливать и удерживать избыточное тепло, не выделяя его в окружающую среду.

Автор: Каллиста Уилсон | Младший технический писатель | Thermtest

Каталожные номера

Проводимость (электропроводность) и вода . (н.д.). Получено 6 мая 2021 г. с https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/conductivity-electrical-conductance-and-water?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects

. Глоссарий терминов и определений . (н.д.). Thermtest Inc. Получено 21 декабря 2020 г. с https://thermtest.com/thermal-resources/glossary 9.0005

Теплопроводность воды и пара | Значение | Nuclear-power.net . (н.д.). Атомная энергия. Получено 6 мая 2021 г. с https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/heat-transfer/thermal-conduction/thermal-conductivity/thermal-conductivity-of-water-and-steam/

. Что является лучшим проводником тепла: вода или алюминий? (н.д.). Образование — Seattle PI. Получено 6 мая 2021 г. с https://education.seattlepi.com/conductor-heat-water-aluminum-4124.html 9.0005

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 охладителей, а также их теплопроводность и удельная теплоемкость.

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.