Тема 11. Теплофизические параметры воды

11.1.Общие определения и понятия

Вода уникальная жидкость. У воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ.

Температура плавления0 °C Температура кипения99,974 °C

Тройная точка0,01 °C, 611,73 Па Критическая точка374 °C, 22,064 МПа

Молярная теплоёмкость (ст. усл.) 75,37 Дж/(моль·К) Теплопроводность (ст. усл.) 0,56 Вт/(м·K)

Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35 градусов Цельсия её удельная теплоёмкость падает, в то время как у других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (при 0 °C 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).

Теплофизические параметры речных вод формируются за счет поступления солнечного излучения, энергии механического движения вод, теплового обмена речных вод с атмосферой и породами ложа реки.

Механическая энергия реки.

Энергия реки на участке протяженностью Lкм(1000м), при падении(уклоне)реки H(м),при расходе Q(м³\сек) равна N=1000QHкг м\сек

или в ваттах N=1000QH\102 =9.81QH кВт. 1квт=102кг м\сек

Удельная километровая мощность реки N_уд = N\L где L длина реки

Полная мощность реки ∑N_полн. =∑9.81 QH

Удельная мощность бассейна реки N_бас. =∑N_полн \F где- F площадь бассейна

Образование льда. На замерзание 1см³ расходуется 80кал.

Скорость нарастания льда

Δh =kτ Δt\80 hγ (см) 11.1

где Δh прирост льда в см, Δt –период времени роста, τ –температура поверхности льда γ-объемный вес льда, к- коэффициент теплопроводности льда. интегрируя уравнение 11.1 получаем:

h=√ h ₀² +2 kτ t\80 γ см 11.2.

при начальной толщине льда нулевой h₀=0

h=√ 2 kτ t\80 γ см 11.3

h=11 √ ∑θ⁰ где ∑θ⁰ сумма отрицательных средних суточных температур воздуха за период льдообразования.

Суммарная солнечная радиация, (Вт/м²) падающая на горизонтальную поверхность на уровне моря при альбедо, равном нулю, в зависимости от широты местности Северо- Запада РФ. Новгородская область расположена между 57 и 59 градусом северной широты.

Таблица 11.1

С притоком воды запас тепла всегда возрастает независимо от того, теплее или холоднее вода притока, а при стоке уменьшается.

11.2. Расчет изменения запаса тепла в непроточном водоеме.

Требуется определить среднюю интенсивность изменения запаса тепла в водоеме за май и декабрь и накопление (или рас­ходование) тепла в нем за эти месяцы. Данные брать по вариантам из таблицы 1

Средние за май и декабрь значения тепловых потоков, в Вт/м²⁾

1) S_р -поглощенная водой солнеч­ная радиация (S_р 5(май) и S_р (дек.)

2) S_к -турбулентный теплообмен с атмосферой (S_к 5 и S _к 12)

3) S _эф -эффективное излучение (S _эф 5 и S _эф 12);

4) S _и -тепло, затраченное на испарение, (S _и 5 и S _и 12);

5) S _дн -теплообмен с грунтом дна (S _дн, 5 и S _дн 12.

Значения остальных составляющих уравнения для рассматриваемых периодов близки к нулю.

Пример решения варианта №.1..

Средние значения интенсивности изменения за­паса тепла и мае и декабре определим с помощью уравнения

S₅ = 252 + 22 —50 —70 + 6=160 Вт/м ²

S₁₂ = 43 — 100 - 58 - 7, 2 - 3 = -125,2 Вт/м².

Таким образом, в мае тепло в водоеме накапливалось, а в де­кабре— расходовалось. В расчете на единицу площади водоема накопление тепла в мае составило

ΔS₅ = 160 х31 х 86 400 = 429 х 10⁶ Дж/м²,

а расходование тепла в декабре —

Δ S₁₂ = -125,2 х31 х86 400 = -335х10⁶ Дж/м²,

где 31 —число суток в месяце, 86 400 — число секунд за сутки..

Таблица 2