Расширение воды при нагревании: Расширение воды при нагревании расчет калькулятор — ИНВЕСТИЦИОННЫЙ ПОРТАЛ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ

19.03.2020

Содержание

Особенности теплового расширения воды

Тепловое расширение воды

У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается, при этом изменяется и плотность вещества.

Плотность вещества при плавлении уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Но существуют такие вещества, как, например, кремний, германий, висмут, у которых плотность при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. К этим веществам относится и лед (вода).

Опыт показывает, что вода имеет, наибольшую плотность при 4°С. Это объясняется особенностями строения кристаллической решетки льда. Если в жидком состоянии молекулы Н2О расположены вплотную друг к другу, то при кристаллизации расстояние между ближайшими молекулами увеличивается и в кристалле между молекулами образуются «пустоты». Поэтому плотность воды больше, чем льда, и достигает наибольшего значения при 4″С. При повышении или понижении температуры от 4°С плотность воды уменьшается, объем увеличивается.

Вследствие того, что почти 80% поверхности Земли покрыто водой, особенности ее теплового расширения оказывают огромное влияние на климат Земли. При нагревании воды в открытых водоемах, имеющей температуру 1—2°С, происходит непрерывная смена слоев воды, имеющих различную температуру. Так происходит до тех пор* пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся менее плотными, а потому остаются наверху. Этим объясняется тот факт, что в глубоких водоемах температура воды, начиная с некоторой глубины близка к температуре наибольшей плотности воды.

Этой особенностью теплового расширения воды объясняется тот факт, что водоемы зимой не промерзают до дна. При охлаждении, пока температура поверхностного слоя не достигнет 4°С, плотность более теплой воды ниже плотности более холодной, поэтому более теплая вода поднимается вверх, а более холодная опускается вниз.

В интервале температур от 0 до 4°С значения плотностей меняются: теперь уже вода, имеющая более высокую температуру, опускается вниз, г более холодная перемещается вверх и, охлаждаясь, замерзает.

Расширение воды при замерзании ведет к разрушению горных пород, сосудов, в которых она находится.

Фотоэффект.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — постоянная Планка, равная 6,63 • 10 Дж • с, v — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света.

Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дугой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

— количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

— максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.

Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты vmin

— красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при v < vmin фотоэффект не происходит при любой энергии света, а если v > vmin, то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г.

В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла.

Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна:

тv /2 — hv- Авых. Следовательно,

. Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Если hv < Авых, то фотоэффекта не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна vmin = A/h.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Билет № 23

Электрические заряды. Закон Кулона.
Давление света. Химическое и тепловое действие света.
Задача нахождение затраты света.

Ответы:

1. Электрические заряды. Закон Кулона

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется

электромагнитным.

Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается q. Единица электрического заряда — кулон (Кл).

Термическое расширение твёрдых тел и жидкостей — урок. Физика, 8 класс.

Термическим расширением называется изменение размеров и объёма тела под воздействием температуры.

При изменении температуры изменяются размеры твёрдых тел. Расширение под воздействием температуры характеризуется коэффициентом линейного термического расширения.

Изменение линейных размеров тела описывается формулой: l=l0(1+α⋅ΔT), где

l — длина тела;

l0 — первоначальная длина тела;

α — коэффициент линейного термического расширения;

ΔT — разница температур.

Коэффициент линейного термического расширения показывает, на какую часть первоначальной длины или ширины изменится размер тела, если его температура повысится на 1 градус.

Если рассматривать стержень твёрдого вещества длиной 1 метр, то при повышении температуры на один градус длина стержня изменится на такое число метров, которое равно коэффициенту линейного расширения.

Пример:

\(10\) км железнодорожного пути при увеличении температуры воздуха на \(9\) градусов (например, от \(-5\) до \(+4\)), удлиняются на 10000⋅0,000012⋅9=1,08 метр. По этой причине между участками рельсов оставляют промежутки.

На этом рисунке видно, что происходит в жаркую погоду, если между участками рельсов оставлены неверные промежутки.

Термическое расширение надо учитывать и в трубопроводах, там используют компенсаторы — изогнутые трубы, которые при изменении температуры воздуха при необходимости могут сгибаться. На рисунке видно, что произойдёт, если не будет компенсатора.

Инженерам, проектирующим мосты, оборудование, здания, которые подвержены изменениям температуры, необходимо знать, какие материалы можно соединять, чтобы не образовались трещины.

Электрикам, которые протягивают линии электропередачи, необходимо знать, каким изменениям температуры будут подвержены провода. Если летом провода натянуты, то зимой они оборвутся.

При термическом расширении металлов используют автоматические выключатели тепловых приборов. Этот выключатель состоит из двух плотно соединённых пластин различных металлов (с различными термическими коэффициентами). Биметаллические пластины под воздействием температуры сгибаются или выпрямляются, замыкая или размыкая электрическую цепь.

………………………………………………………………………….. Биметаллические пластины состоят из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения. При изменении температуры длина каждой пластины изменяется по-разному, в зависимости от этого пластины выгибаются либо вверх, либо вниз.

С изменением линейных размеров изменяется также и объём тела. Изменение объёма тела описывается формулой, похожей на формулу линейного расширения, только вместо коэффициента линейного термического расширения используется коэффициент объёмного термического расширения.

Изменение объёма тела под воздействием температуры описывается формулой: V=V0(1+β⋅ΔT), где

V — объём тела;

V0 — первоначальный объём тела;

β — коэффициент объёмного термического расширения;

ΔT — разница температур.

Коэффициент объёмного термического расширения показывает, на какую часть первоначального объёма изменится объём тела после повышения температуры на 1 градус.

Вещество	Коэффициент объёмного расширения β, K−1
Бензин	0,000124
Ртуть…	0,000110
Эфир	0,000160
Глицерин	0,000051
Нефть	0,000100
Керосин	0,000100
Спирт	0,000110
Вода	0,000180

Пример:

Если объём спирта при температуре −30°C равен 500л, то при температуре 25°C его объём увеличится на 500⋅0,00011⋅(25−(−30))=3,025л.

Из формулы изменения объёма следует, что при повышении температуры объём жидкости увеличивается, но вода в очередной раз отличилась своими уникальными свойствами, так как при нагревании воды до определённой температуры она не расширяется, а сжимается.

При нагревании воды с температуры таяния льда вначале у неё уменьшается объём, и только после 4°C её объём начинает увеличиваться.

Тепловое расширение • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (

см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную:

ΔL = αLΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды

α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

расширении жидкостей от нагревания — Справочник химика 21

При заполнении резервуара нефтью или нефтепродуктом, которые подлежат подогреву или длительному хранению в летнее время, уровень жидкости (во избежание переполнения резервуара) устанавливается с учетом расширения жидкости при нагревании. Максимальный уровень холодного продукта не должен превышать 95% высоты емкости, а уровень сжиженных газов—83%. [c.200]
Жидкая фаза при нагревании расширяется, причем объемный коэффициент расширения ее в 16 раз больше, чем у воды. Расширение жидкости от температуры является опасным свойством, приводящим к разрыву резервуаров, баллонов, трубопроводов, если в них не оставить газовой подушки или не установить клапана для сброса жидкости. [c.4]

Совсем другая ситуация возникает у высоковязких жидкостей и особенно у полимеров. Если в обычных жидкостях нагревание приводит к текучести, то у полимеров сначала появляется высокая эластичность. В высокоэластическом состоянии полимеры ведут себя с точки зрения механики как твердые тела. Они обладают упругостью формы. В то же время их структура характеризуется наличием только ближнего порядка и, как следствие этого, по многим физическим свойствам они сходны с обычными жидкостями. Например, резины хорошо подчиняются гидростатическому закону Паскаля, их сжимаемость и коэффициент объемного расширения те же, что и у жидкостей, и т. д. [c.226]

Рассматривая расширение жидкости при нагревании, или сжатие газа при изменении давления, или ход химической реакции, или любые другие процессы, мы обычно расчленяем их на отдельные элементы, что облегчает нахождение искомых закономерностей. [c.6]

Вследствие расширения при нагревании удельный вес жидкости падает с повышением температуры, подчиняясь некоторой функциональной зависимости. Эта зависимость может быть выражена или прямолинейной функцией или же некоторой криволинейной функцией [c.61]

КОЭФФИЦИЕНТ РАСШИРЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ. При нагревании все жидкости, в том числе и все сорта моторных топлив и смазочных масел, расширяются. Увеличение объема жидкости при повышении т-ры на 1 выражается коэфф. объемного расширения данной жидкости. В небольшом интервале т-р изменение объема в зависимости от т-ры может быть выражено линейным ур-нием [c.300]

При нагревании реактивных топлив их объем увеличивается. Объемное расширение нефтепродуктов подчиняется общей закономерности теплового расширения жидкостей. [c.33]

Медные, с завинчивающимися крышками, ампулы заполнялись жидкостью настолько, чтобы обеспечить при нагревании свободное расширение жидкости. Поправка на радиацию определялась по упрощенной формуле А. Н. Щукарева [12]. [c.258]

Расширение нефти и нефтепродуктов при нагревании подчиняется обшей закономерности теплового расширения жидкостей, определяемой формулой [c.27]

Жидкостные манометрические термосистемы. Эти системы (рис. 38,6) обладают меньшей инерционностью. Поскольку жидкость практически несжимаема, перемещение стержня на выходе АЛ определяется изменением объема жидкости при нагревании. Однако перемещение это очень мало в связи с малым коэффициентом объемного расширения жидкости (около 0,(Ю1 на ГС), поэтому относительная погрешность у жидкостных термосистем выше, чем у газовых. Ввиду того что при тепловом расширении жидкость может развивать большое усилие, жидкостные термосистемы применяют в регуляторах температуры прямого действия. [c.77]

В 1859 г. Менделееву была предоставлена двухлетняя научная командировка за границу . Он поехал в Гейдельберг, где работал в лабораториях Р. Бунзена и Г. Р. Кирхгофа. Создание в это время Бунзеном и Кирхгофом основ спектрального анализа оказало большое влияние на Менделеева. Экспериментальные работы, выполненные Менделеевым за границей, были посвящены изучению молекулярного сцепления жидкостей, расширения гомологичных жидкостей и расширения жидкостей при нагревании их до высоких температур. Окончание заграничной учебы Менделеева совпало [c.77]

Жидкостные манометрические термосистемы. Поскольку жидкость практически несжимаема, перемещение стержня на выходе Ах определяется изменением объема жидкости при нагревании (рис. 61,6). Однако из-за малых значений коэффициента объемного расширения жидкостей (ао 0,001 1/°С) Ах очень мало, что увеличивает относительную погрешность. Преимущество же их по сравнению с газовыми — большая сила, развиваемая при расширении жидкости, и меньшая инерционность. Поэтому их применяют в регуляторах температуры прямого действия. [c.116]

МПа и выше. Высокое давление в системе уменьшает также погрешность, связанную с изменением атмосферного давления. Существенный недостаток газовых термометров — высокая инерционность из-за низкого коэффициента теплоотдачи от термобаллона к газу. Жидкостные манометрические термометры обладают меньшей инерционностью. Поскольку жидкость практически несжимаема, величина перемещения стержня на выходе Ак определяется изменением объема жидкости при нагревании. Однако величина эта очень мала в связи с малым коэффициентом объемного расширения жидкости (около 0,001 1/°С). Поэтому относительная погрешность у жидкостных термоэлементов выше, чем у газовых. Так как при тепловом расширении жидкость может развивать большие усилия, жидкостные термоэлементы применяют в регуляторах температуры прямого действия. [c.199]

Для анализа жидкостей, кипящих при низкой температуре, может быть использована кювета (рис. 4.22), а входе и (выходе которой установлены отсечные клапаны 2, одновременно перекрывающие входной и выходной каналы кюветы после ее заполнения [28]. Клапаны жестко связаны с одним приводом — ручкой 1. Поршень 3 передвигается при расширении жидкости в результате ее нагревания и тем самым снижается давление внутри кюветы. [c.168]

Принцип действия такого термометра заключается в свойстве расширения жидкости пропорционально нагреванию и сжатия — при охлаждении. [c.127]

Все вещества при нагревании от абсолютного нуля до полного испарения должны увеличиваться в объеме, преодолевая как силы внутреннего сцепления, так и внешнее давление. Вследствие незначительного изменения объема, при расширении твердого тела обычно требуется сравни

Объемное или кубическое тепловое расширение

Удельный объем единицы может быть выражен как

v = 1 / ρ = В / м (1)
, где
v = удельный объем (м ³ / кг, футов ³ / фунт)

ρ = плотность (кг / м ³, фунт / фут ³)

V = объем агрегата (м ³, футы ³)

м = масса агрегата (кг, фунты)

Изменение объема агрегата при изменении температуры может быть выражается как

dV = V ₀ β (t ₁ — t ₀) (2)
где
90 009 dV = V ₁ — V ₀ = изменение объема (м ³, фут ³)

β = Коэффициент объемного температурного расширения (м ³ / м ^{3 o} C, футов ³ / футов ^{3 o} F)

t ₁ = конечная температура (^o C, ^o F)

t ₀ = начальная температура (^o C, ^o F)

Плотность жидкости при изменении температуры может быть выражена как

ρ ₁ = m / V ₀ (1 + β (t ₁ — t ₀))
= ρ ₀ / (1 + β (t ₁ — t ₀)) (3)
где
ρ _{1900 65 = конечная плотность (кг / м ³, фунт / фут ³)}
ρ ₀ = начальная плотность (кг / м ³, фунт / фут ³)

Онлайн-калькулятор теплового кубического расширения — коэффициент расширения и температуры

Имейте в виду, что коэффициент расширения для некоторых жидкостей, например воды, может изменяться в зависимости от температуры.Калькулятор, представленный ниже, является общим и может использоваться для метрических и британских единиц измерения, если они используются последовательно.

Обратите внимание, , что коэффициент объемного расширения, используемый в калькуляторе, является постоянным. Если вы хотите рассчитать изменение объема жидкости в диапазоне температур, в котором коэффициент объемного расширения жидкости сильно изменяется, — интерполируйте значения коэффициента или разделите расчет в разных диапазонах температур. Пример: вода — это жидкость, у которой коэффициент объемного расширения сильно зависит от температуры.Вода имеет самую высокую плотность и наименьший объем при 4 ^o C (39,2 ^o F) . Объемный коэффициент для воды отрицателен ниже 4 ^o C и указывает, что объем уменьшается при изменении температуры от 0 ^o C ( 32 ^o F ) до 4 ^o C .

Онлайн-калькулятор теплового кубического расширения — плотности

Этот калькулятор можно использовать для расчета объема расширения, если известны начальный объем, начальная и конечная плотности жидкости

V ₀ — начальный объем (м ³, фут ³)

ρ ₀ — начальная плотность (кг / м ³, фунт / фут ³)

ρ ₁ — конечная плотность (кг / м ³ , фунт / фут ³)

Объемные температурные коэффициенты — β — для некоторых жидкостей

вода при 0 ^o C : -0.00005 0 (1/^o C)
вода при 4 ^o C : 0 (1/^o C)
вода при 10 ^o C : 0,000088 (1/^o C)
вода при 20 ^o C : 0,000207 (1/^o C)
вода при 30 ^o C : 0,000303 ( 1/^o C)
вода при 40 ^o C : 0.000385 (1/^o C)
вода при 50 ^o C : 0,000457 (1/^o C)
вода при 60 ^o C : 0,000522 (1/^o C)
вода при 70 ^o C : 0,000582 (1/^o C)
вода при 80 ^o C : 0,000640 (1/^o C)
вода при 90 ^o C : 0.000695 (1/^o C)
этиловый спирт: 0,00109 (1/^o C), 0,00061 (1/^o F)
масло: 0,00070 (1 / ^o C), 0,00039 (1/^o F)

Преобразование между метрическими и имперскими объемными температурными коэффициентами

1 (1/^o C) = 0,56 (1/^o F )
1 (1/^o F) = 1.8 (1/^o C)

Пример — кубическое расширение масла

100 литров — 0,1 м ³ — масла с объемным коэффициентом расширения 0,00070 1 / ^o C нагревается от 20 ^o C до 40 ^o C . Объемное расширение можно рассчитать с помощью уравнения (2)

dV = (0,1 м ³) _{(0.00070 1/^o C) ((40 ^o C) — (20 ^o C))}

= 0,0014 м ³

= 1,4 литра

Конечный объем составляет

100 литров + 1,4 литра = 101,4 литра

Пример — кубическое расширение масла

30 галлонов США масла нагревается от 7 0 ^o F до 100 ^o F . Объемное расширение можно рассчитать с помощью уравнения (2)

dV = (30 галлонов) _{(0.00039 1/^o F) ((100 ^o F) — (70 ^o F))}

= 0,351 галлона

Конечный объем составляет

30 галлонов + 0,351 галлон = 30,351 галлона

.
Модель теплового расширения Activity | НАСА / Лаборатория реактивного движения Edu
Обзор
Важной частью понимания повышения уровня моря является понимание теплового расширения воды. На тепловое расширение приходится около половины измеренного глобального повышения уровня моря. Учащиеся построят модель из повседневных предметов, чтобы продемонстрировать, что вода расширяется при добавлении тепловой энергии.
Материалы
На группу из 2-3 учеников:
1 одноразовая пластиковая бутылка для воды с откидной крышкой, если таковая имеется.Предпочтительны маленькие бутылки из более толстого и прочного пластика.
1 прозрачная пластиковая соломинка
Пищевой краситель
Линейка
Режущий инструмент (см. Раздел «Управление»)
Фломастер темный
Термометр (опционально, см. Раздел «Управление»)
Несколько низкотемпературных пистолетов для горячего клея, замазка или другой податливый герметик
Бумажные или тканевые полотенца
Защитные очки
Источники тепла (например, лампы накаливания, тепловые лампы, грелки или солнце)
Управление
Примеры различных конфигураций бутылок.Изображение предоставлено NASA / JPL-Caltech | + Развернуть изображение
Безопасность! этот вид деятельности предполагает использование острой резки инструменты и нагревательные элементы. Чтобы избежать порезов и ожогов, убедитесь, что безопасное использование этих инструментов путем демонстрации и моделирования надлежащего использования.
В крышке бутылки с водой нужно проделать отверстие, чтобы через него прошла соломинка. В крышках с откидной крышкой есть отверстие, но их нужно разрезать, чтобы их хватило на соломинку. Пластиковые ножки внутри откидной крышки можно обрезать острым лезвием.В обычных крышках можно просверлить отверстие кончиком ножниц, острым лезвием или дрелью. В зависимости от возраста ученика, уровня навыков и доступных инструментов вы можете вырезать отверстия заранее, в классе или попросить учеников вырезать отверстия самостоятельно во время урока. Обязательно соблюдайте все правила техники безопасности, чтобы защитить руки, волосы и глаза при использовании дрели.
Предпочтительны бутылки из более толстого и прочного пластика. Тонкие пластиковые бутылки для воды имеют тенденцию изгибаться больше, чем более толстые и жесткие бутылки, и это изгибание может изменять уровень воды во время наблюдений способами, не связанными с тепловым расширением.
В конструкции этих моделей будет проливаться вода. Подготовьте столы или рабочие поверхности соответствующим образом и держите под рукой полотенца для уборки.
Если предполагается использовать термометры, есть предложенные варианты:
Прикрепите клейкую полоску термометра к стороне бутылки, расположенной стороной, противоположной источнику тепла
Сделайте небольшое отверстие в бутылке или крышке где термометр или тепловой зонд можно вставить в бутылку и закрыть отверстие. Термометр не должен мешать положению соломинки, как описано в конце шага 3.

Различные источники тепла применяют тепло к воде с разной интенсивностью, и большее количество воды может поглощать большее количество тепла, а это означает, что время, необходимое для того, чтобы заметить изменение температуры и высоты воды, может варьироваться. Подумайте о том, чтобы изготовить и протестировать одну из этих моделей заранее, чтобы понять, сколько времени это может занять. Это поможет вам определить, как долго ученики должны ждать между измерениями. Запишите, сколько времени требуется, чтобы вода поднялась на 0,5–1,0 см, и используйте это время в качестве приблизительного интервала для шага 7.
Справочная информация
Для получения более подробной информации о повышении уровня моря и связанной с ним деятельности см. «Графики тенденций уровня моря».
Глобальный уровень моря существенно менялся на протяжении всей истории, особенно в связи с ледниковыми периодами. В новейшей истории, примерно 7000 лет назад, уровень моря стабилизировался, но за последнее столетие он повысился. Глобальные измерения приливов с помощью мареографов показывают, что глобальный уровень моря поднялся примерно на 3.4 миллиметра (0,13 дюйма) в год за последнее столетие.
Уровень моря измеряется станциями мониторинга на береговой линии и в море. Такие спутники, как спутник НАСА JASON-3, также собирают данные об уровне моря. В США имеется более 120 станций мониторинга уровня моря и еще 240 станций по всему миру. Просматривая данные с этих станций за периоды 30 или более лет, можно определить тенденции на отдельных станциях и сравнить с другими станциями. Это дает ученым полезную информацию о местных условиях.Эти данные также можно использовать для расчета глобального среднего уровня моря и изучения его с течением времени, давая ученым представление о том, что происходит с океаном в масштабах всей планеты. Уровень моря измерялся на некоторых станциях более века, обеспечивая данные об уровне моря начиная с 1880 года.
Эти спутниковые данные показывают изменение глобального уровня моря Земли с 1993 года. Прокрутите диаграмму, чтобы увидеть различные точки данных. Чтобы узнать больше о жизненно важных показателях Земли, посетите веб-сайт НАСА по глобальному изменению климата
Общее количество воды на Земле не увеличивается, но объем жидкости, заполняющей океанические бассейны, растет, повышая высоту поверхности моря и разливая воду океана. на низменную землю.Дополнительный объем морской воды прибывает из двух источников: очевидно, таяние ледяных щитов и ледников на суше добавляет воду в море. Вторая и менее очевидная причина повышения уровня моря связана с расширением воды при нагревании, поэтому чем больше тепловой энергии поглощает океан, тем больше места требуется для воды.
Вода обладает способностью поглощать много тепла, это свойство известно как теплоемкость. В результате с повышением температуры воздуха растет и температура океана. Мы видим, как это проявляется в данных, возвращаемых со спутников, метеостанций, метеозондов, кораблей и буев.Они показывают, что температура воды у поверхности океана повышается вместе с температурами в нижнем слое атмосферы и средней температурой воздуха у поверхности суши и воды.
Эти спутниковые данные показывают изменение глобальной температуры Земли с 1993 года. Прокрутите диаграмму, чтобы увидеть различные точки данных. Чтобы узнать больше о жизненно важных показателях Земли, посетите веб-сайт НАСА по глобальному изменению климата
Глобальный уровень моря в настоящее время повышается в результате как теплового расширения океана, так и таяния ледников, причем на каждый из них приходится около половины наблюдаемого повышения уровня моря, а на каждое из них — недавние повышение средней глобальной температуры.С 1961 по 2003 год уровень моря поднимался из-за теплового расширения и таяния ледников (от небольших ледников, ледяных шапок и ледяных щитов) со скоростью 1,11 миллиметра (0,04 дюйма) в год. В период с 1993 по 2003 год вклад в повышение уровня моря увеличился для обоих источников до 2,79 миллиметра (0,11 дюйма) в год. Таким образом, уровень моря не только повышается, он повышается более быстрыми темпами, чем в прошлом.
Почему это происходит? Ученые обнаружили, что с начала промышленной революции концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась на 39 процентов.Большая часть CO2 создается в результате производства энергии из ископаемого топлива, которое мы используем для поддержания нашего образа жизни. Часть этого дополнительного углекислого газа была поглощена океанами, почвой и деревьями, а остальная часть останется в атмосфере в течение тысяч лет. Это важно для нашего климата, потому что углекислый газ — самый важный газ для регулирования температуры атмосферы Земли. Углекислый газ и другие атмосферные газы контролируют температуру Земли за счет парникового эффекта. Без парникового эффекта температура на Земле была бы намного ниже, чем сейчас, но увеличение содержания CO2 задерживает тепло в атмосфере, что приводит к зарегистрированному повышению температуры.
.
Вода — теплофизические свойства
Термодинамические свойства воды:
Температура кипения (при 101,325 кПа): 99,974 ° C = 211,953 ° F
Объемный модуль упругости: 2,15 x 10 ⁹ Па или Н / м ²
Критическая температура: 373,946 ° C = 705,103 ° F
Критическое давление: 217,7 атм = 220,6 бар = 22,06 МПа (МН / м ²) = 3200 фунтов на кв. Дюйм (= _{фунтов на} / дюйм ²)
Критическая плотность: 0.322 г / см ³ = 0,62478 снаряда / фут ³ = 20,1018 фунта _м / фут ³
Константа ионизации, pKw (при 25 ° C): 13,995
Скрытая теплота плавления: 334 кДж / фут кг = 144 БТЕ (IT) / фунт
Скрытая теплота испарения (при 100 ° C): 40,657 кДж / моль = 2256 кДж / кг = 970 БТЕ (IT) / фунт
Максимальная плотность (при 4 ^o C ): 999,975 кг / м ³ = 1,9403 снаряда / фут ³ = 8.34519 фунтов _м / галлон (США)
^{Температура плавления (при 101,325 кПа): 0 ° C = 32 ° F}
Молярная масса: 18,01527 г / моль
pH (при 25 ° C): 6,9976
Удельная теплоемкость (C _p) вода (при 15 ° C / 60 ° F): 4,187 кДж / кг · K = 1,001 Btu (IT) / (фунт _м ° F) или ккал / (кг · K)
лед: 2,108 кДж / кг · K = 0,5035 Btu (IT) / (фунт _{м ·} ° F) или ккал / (кг · K)
Удельная теплоемкость водяного пара: 1.996 кДж / кг · К = 0,4767 БТЕ (IT) / (фунт _м ° F) или ккал / (кг · К)
Удельный вес (при 4 ^o C): 9,806 кН / м ³ = 62,43 фунта _f / фут ³
Температурное расширение от 4 ^o C до 100 ^o C: 4,2×10 ^-2 (Примечание! — объемное температурное расширение воды не зависит от температуры)
Давление тройной точки: 0,00604 атм = 0.00612 бар = 611,657 Па = 0,08871 фунт / кв. Дюйм (= _{фунт / дюйм} / дюйм ²)
Температура тройной точки: 0,01 ° C = 32,02 ° F
Перейдите по ссылкам ниже, чтобы получить значения для перечисленных свойств жидкости вода при переменном давлении и температуре :
Для каждой темы есть рисунки и таблицы, показывающие изменения свойств в зависимости от температуры. Также доступны калькуляторы, определяющие свойства при заданных температурах.Все свойства даны как в системе СИ, так и в британской системе мер.
См. Также дополнительную информацию об атмосферном давлении и STP — Стандартная температура и давление и NTP — Нормальная температура и давление,
и Теплофизические свойства следующих компонентов: Ацетон, Ацетилен, Воздух, Аммиак, Аргон, Бензол, Бутан, Двуокись углерода , Окись углерода, этан, этанол, этилен, гелий, водород, сероводород, метан, метанол, азот, кислород, пентан, пропан, толуол и тяжелая вода, D ₂ O.
.
Определение размеров расширительных баков для горячей воды
Расширительные баки необходимы в системах отопления, охлаждения или кондиционирования воздуха, чтобы избежать недопустимого повышения давления в системе, когда вода расширяется во время нагрева.
Взрывная сила перегретой воды
1 фунт (0,45 кг) нитроглицерина> 2000000 фут-фунтов _f (2700000 Дж)
1 фунт (0,45 кг) из вода, выделившаяся в пар> 750000 фут-фунтов _f (100000 Дж)

Расширительные баки обычно имеют вид
открытых баков
закрытых компрессионных баков
мембранных баков
Нетто объем расширения воды при нагревании может быть выражен как
V _net = (v ₁ / v ₀) — 1 (1)
V _net = объем расширения воды ( фут ³, м ³ )
v ₀ = удельный объем воды при начальной (холодной) температуре (фут ³ / фунт, м ³ / кг)
v ₁ = удельный объем воды при рабочей (горячей) температуре (футы ³ / фунт, м ³ / кг)
Открытые расширительные баки

Требуемый объем открытый расширительный бак можно выразить как
V _et = k V _w [(v ₁ / v ₀) — 1] (2)
V _et = необходимое расширение объем резервуара (галлон, литр)
k = коэффициент безопасности (обычно примерно 2)
V _w = объем воды в системе (галлон, литр)
v ₀ = удельный объем воды при начальной (холодной) температуре (футы ³ / фунт, м ³ / кг)
v ₁ = удельный объем воды при рабочей (горячей) температуре (футы ³ / фунт, м ³ / кг)
Обратите внимание, что в открытом расширительном баке свежий воздух постоянно поглощается водой и имеет тенденцию к коррозии системы.Открытые расширительные баки также должны быть расположены над самым высоким нагревательным элементом, как правило, на крыше зданий, где они могут подвергаться замерзанию.

Закрытые расширительные баки для сжатия
Закрытые компрессионные баки могут быть спроектированы как регулируемые расширительные баки
— воздух откачивается или нагнетается с помощью автоматических клапанов в баки для регулирования давления в системе при повышении температуры и расширения воды или падает
резервуары с подушкой под давлением — вода откачивается или закачивается в системы для компенсации повышения или понижения температуры
Компрессионные резервуары с закрытыми объемами газа — резервуары содержат определенные объемы газа, который сжимается при повышении температуры и объема системы

Требуемый объем в закрытом расширительном баке
V _et = k V _w [(v ₁ / v ₀) — 1] / [(p _a / p ₀) — (p _a / p ₁)] (3)
w здесь
p _a = атмосферное давление — 14.7 (psia)
p ₀ = начальное давление системы — холодное давление (psia)
p ₁ = рабочее давление системы — горячее давление (psia)

начальная температура 50 ^o F
начальное давление 10 фунтов на кв. Дюйм
максимальное рабочее давление 30 фунтов на кв. _w [(v ₁ / v ₀) — 1] / [1 — (p ₀ / p ₁)] (4)

начальная температура 50 ^o F
начальное давление 10 psig
максимальное рабочее давление 30 psig
коэффициент безопасности ap Rox. 2
коэффициент приемки прибл. 0,5
Пример — Объем в открытом расширительном баке
Система с 1000 галлонов воды нагревается от 68 ^o F до 176 ^o F .
Минимальный объем расширения в открытом расширительном баке с коэффициентом безопасности 2 можно рассчитать как
V _et = 2 (1000 галлонов) [((0,01651 футов ³ / фунт) / (0,01605 футов) ³ / фунт)) — 1]
= 57 (галлонов)
.