Содержание
Физическое определение
Согласно физическому определению, плотность — это отношение массы к объему.
То есть, эта величина показывает количество данного вещества, сосредоточенного в определенном объеме.
Если посмотреть на молекулярном уровне, плотность показывает, насколько близко друг к другу расположены молекулы того или иного материала.
Показателем, иллюстрирующим значение этого параметра, может стать соотношение веса 1 л разных жидкостей:
- вода — 1 кг;
- масло — 900 г;
- спирт — 800 г и т.д.
То есть, в одинаковом объеме воды больше, чем масла или спирта. Для обозначения плотности в формулах используется греческая буква ρ (ро).
Сама формула в общем виде выглядит следующим образом:
- m — масса;
- V — объем.
С изменением температуры плотность веществ изменяется. Это происходит из-за ускорения движения атомов. У воды наблюдается особое соотношение этих параметров.
Что влияет на этот параметр?
В обычных условиях на параметры воды значительное влияние оказывает степень нагрева. Как правило, у большинства веществ или соединений плотность увеличивается при понижении температуры. Однако, у воды эта зависимость нелинейная.
Показатель достигает максимума при 4°C, понемногу уменьшаясь как при понижении, так и при повышении температуры. При этом, когда вода переходит в твердую фазу (образуется лед), процесс уменьшения плотности при охлаждении продолжается.
Этим объясняется известный (и очень опасный для оборудования) эффект расширения воды при замерзании — из 0,028 м3 воды получается 0,03 м3 льда.
Зависимость физических свойств от температуры наблюдается практически у всех веществ, но только вода демонстрирует это в жидком состоянии.
При этом горячая вода показывает нелинейный, но относительно ровный график уменьшения значений (по крайней мере, до точки кипения в 100°С).
Таблица зависимости от температуры
Для наглядности составим таблицу плотности воды при разных температурах:
| Температура, t°С | Плотность, ρ г/мл |
| 0 | 0,9998 |
| 2 | 0,9999 |
| 4 | 1 |
| 6 | 0,9999 |
| 10 | 0,9997 |
| 15 | 0,9991 |
| 20 | 0,9982 |
| 25 | 0,9970 |
| 30 | 0,9957 |
| 40 | 0,9922 |
| 50 | 0,9880 |
| 60 | 0,9832 |
| 70 | 0,9778 |
| 80 | 0,9718 |
| 90 | 0,9653 |
| 100 | 0,9584 |
Анализируя данные таблицы, можно отметить сравнительно ровную кривую зависимости двух характеристик воды. При этом, управляющим параметром является температура. Если по этим данным составить график, получится не прямая линия, а кривая параболического типа.
Меняется ли вес в процессе нагревания?
Вес одинакового объема горячей и холодной воды будет немного отличаться. Из-за большей плотности, тяжелее будет холодная.
Самый большой вес она имеет при 4°С, но, при охлаждении или нагревании относительно этого значения, будет становиться легче.
На практике обычно учитывается не столько изменение веса, сколько различие в объемах горячей и холодной воды.
В большинстве систем вода заперта в ограниченном пространстве, и, если заранее не позаботиться о компенсирующих устройствах, возрастающий объем станет причиной разрыва емкости или трубопровода.
Необходимо учитывать, что разница в весе не слишком велика. Один кубометр воды при 4°С весит ровно тонну, а при 90°С он станет легче на 34,7 кг.
Применение этих знаний на практике
Для специалистов-теплотехников или работников ЖКХ, любые изменения параметров потока являются серьезной проблемой.
Приходится использовать компенсаторы объема (у техников они называются расширительные баки), делать резервные линии для отведения избытков.
В природе изменения плотности также имеют свое значение. В зимнее время вода, охлаждаясь до 4°С, опускается на дно водоема, вытесняя наверх более теплые слои.
Если они охлаждаются ниже этого значения, их плотность уменьшается и не позволяет им вытеснить придонные объемы с постоянной температурой 4°С.
Это позволяет защитить водоемы от сплошного перемерзания, сохранить запасы рыбы и прочей водной живности.
Заключение
Изменения параметров в зависимости от степени нагрева не являются исключительным свойством воды. Особенности достаточно хорошо изучены, но в обыденной жизни они заметного влияния не оказывают.
Это иногда становится причиной ошибок, допущенных неподготовленными людьми. Необходимо иметь представление о свойствах и специфике воды, чтобы не создавать условий для возникновения аварий или поломок систем, оборудования, разрывов трубопроводов.
Загрузка...
