Содержание
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.
Хотя кажется, что расширение воды противоречит отношениям температуры и объема, как описано выше, это не так. Среднее расстояние между охлаждающимися молекулами продолжает уменьшаться при снижении температуры, так как кинетическая энергия уменьшается, как и ожидалось. Но происходит физическое, а не тепловое расширение, так как молекулы воды образуют кристаллическую структуру. Когда атомы водорода и кислорода образуют связи, они разделяются на пары, причем одна сторона молекулы воды получает немного более высокий положительный заряд, чем другая. В результате молекулы действуют как треугольные магниты, у которых одна сторона электростатически отрицательная, а другая — положительная.
В системах водяного отопления вода используется для передачи тепла от его генератора к потребителю.
Наиболее важными свойствами воды являются:
• теплоемкость;
• изменение объема при нагреве и при охлаждении;
• характеристики кипения при изменении внешнего давления;
• кавитация.
Рассмотрим данные физические свойства воды.
Удельная теплоемкость
Важным свойством любого теплоносителя является его теплоемкость. Если выразить ее через массу и разность температур теплоносителя, то получится удельная теплоемкость. 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.
Увеличение и уменьшение объема
Изменение объема воды
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. Вода также расширяется при ее охлаждении ниже +4 °C.
Благодаря этой аномалии воды у рек и озер зимой замерзает именно верхний слой. По той же причине лед плавает на поверхности и весеннее солнце может его растопить. Этого бы не происходило, если бы лед был тяжелее воды и опускался на дно.
Резервуар с точкой перелива
Однако, такое свойство расширяться может быть опасным. Например, автомобильные двигатели и водяные насосы могут лопнуть, если вода в них замерзнет. Во избежание этого в воду добавляются присадки, препятствующие ее замерзанию. В системах отопления часто используются гликоли; соотношение воды и гликоля см. в спецификации производителя.
Характеристики кипения воды
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.
Изменение агрегатного состояния при повышении температуры
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 — например, на Цугшпитце, самой высокой вершине Германии — мы бы обнаружили, что вода там закипает уже при 90 °C. Причиной такого поведения является понижение атмосферного давления с высотой.
Температура кипения воды как функция давления
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 показывает зависимость температуры кипения воды от 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.
Компенсация изменения объема воды в системе отопления:
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.
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)
Специалисты фирмы "Агроводком" с удовольствием помогут вам определиться с оптимальным выбором насоса. Обращайтесь!
Загрузка...
