Зависимость теплопроводности воздуха от температуры

Содержание:

Теплоемкость и энтальпия[править]
Единицы измерения и особенности определения понятия «влажность»
1. Взаимосвязи в пределах модели идеального газа
Влияние на организм человека
- Действие высокого атмосферного давления
- Действие низкого атмосферного давления

Теплоемкость и энтальпия[править]

Удельная теплоемкость воздуха – количество тепла в килоджоулях (в килокалориях), необходимое для нагревания 1 кг или 1 м3 воздуха на 10. Для практических расчетов теплоемкость влажного воздуха при барометрическом давлении = 101,3 КПа (760 мм рт. ст.) в интервале температур от 0 до 100 °С:

С_в = 1,0048 + 1,96*d , кДж/кг⋅К

Энтальпия (теплосодержание) воздуха выражает количество тепла, содержащееся в воздухе при данных температуре и давлении.

Энтальпия влажного воздуха представляет собой сумму энтальпий сухого воздуха и содержащихся в нем водяных паров:

i_в + i_с.в + di_в.п

Энтальпия сухого воздуха равна произведению теплоемкости на температуру:

i_с.в = с_с.вt_с.в = 1,0048*t_c.в кДж/кг

Энтальпия водяного пара слагается из скрытой теплоты парообразования и энтальпии паров при этой температуре, которая равна произведению теплоемкости пара на температуру. В технических расчетах энтальпию водяных паров приближенно определяют по формуле:

i_в.п = 2500+1,96 t_в.п , кДж/кг вод. паров

( i_в.п = 597+0,47 t_в.п , ккал/кг вод. паров)

Общая энтальпия смеси при содержании влаги в воздухе d г/кг сухого воздуха:

I_в = 1.0048*t+0,001*d*(2500+1,96*t)кДж/кг сухого воздуха

(I_в=0,24*t+0,001*d*) ккал/кг сухого воздуха.

В табл. 6.5 приводятся свойства сухого воздуха: плотность – ρ, теплоемкость – С, теплопроводность – λ, температуропроводность – a, вязкость – µ, кинематическая вязкость – с, критерий Прандтля – Рг.

Таблица 6.5. Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении
Р_н = 101,325 кПа (760 мм рт.ст.)

t °C	ρ кг/м3	С средняя кДж/(м3⋅К) (ккал/м3град)	λ*102 Вт/(м⋅К) (ккал/м⋅час⋅град)	µ⋅106 Па⋅с	µ*106 м2/с	í⋅106 м2/с	Pr
1	2	3	4	5	6	7	8
-20	1,350	–	2,28(1,96)	16,15	16,8	11,97	0,710
1,251	1,297(0,3098)	2,44(2,098)	17,19	19,4	13,75	0,707
10	1,207	1,298(0,3099)	2,51(2,158)	17,69	20,7	14,66	0,705
20	1,166	1,298(0,3100)	2,58(2,218)	18,19	22,0	15,61	0,703
30	1,127	1,298(0,3100)	2,65(2,279)	18,68	23,4	16,58	0,701
40	1,091	1,298(0,3101)	2,72(2,339)	19,16	24,8	17,57	0,699
50	1,057	1,299(0,3102)	2,79(2,399)	19,63	26,3	18,58	0,697
60	1,026	1,299(0,3103)	2,86(2,459)	20,10	27,6	19,60	0,696
70	0,996	1,300(0,3104)	2,92(2,511)	20,56	29,2	20,65	0,694
80	0,967	1,300(0,3104)	2,99(2,571)	21,02	30,6	21,74	0,692
90	0,941	1,300(0,3105)	3,06(2,631)	21,47	32,2	22,82	0,690
100	0,916	1,300(0,3106)	3,12(2,683)	21,90	33,6	23,91	0,688
200	0,722	1,307(0,3122)	3,74(3,216)	26,01	50,6	36,03	0,680

Термический коэффициент объемного расширения воздуха

α = 0,00367 или 1/273

Пересчет объема воздуха с изменением температуры допустимо производить по формулам:

V₁ = V * (273 + t₁)/273, м3

V₂ = V₁ * (273 + t₂)/(273 + t₁), м3

где: V – объем воздуха при 0 °С;

V₁ и V₂ – объем воздуха при заданных t₁и t₂.

Единицы измерения и особенности определения понятия «влажность»

Влажность обычно характеризуется количеством воды в веществе, выраженным в процентах (%) от первоначальной массы влажного вещества (массовая влажность) или её объёма (объёмная влажность).
Влажность можно характеризовать также влагосодержанием, или абсолютной влажностью — количеством воды, отнесённым к единице массы сухой части материала. Такое определение влажности широко используется для оценки качества древесины.

Эту величину не всегда можно точно измерить, так как в ряде случаев невозможно удалить всю неконденсированную воду и взвесить предмет до и после этой операции.
Относительная влажность характеризует содержание влаги по сравнению с максимальным количеством влаги, которое может содержаться в веществе в состоянии термодинамического равновесия. Обычно относительную влажность измеряют в процентах от максимума.

1. Взаимосвязи в пределах модели идеального газа

Влияние температуры на свойства воздуха на ур. моря
Температура	Скорость звука	Плотность воздуха (из ур. Клапейрона)	Акустическое сопротивление
, С	c , м·сек −1	ρ , кг·м −3	Z , Н·сек·м −3
+35	351,96	1,1455	403,2
+30	349,08	1,1644	406,5
+25	346,18	1,1839	409,4
+20	343,26	1,2041	413,3
+15	340,31	1,2250	416,9
+10	337,33	1,2466	420,5
+5	334,33	1,2690	424,3
±0	331,30	1,2920	428,0
-5	328,24	1,3163	432,1
-10	325,16	1,3413	436,1
-15	322,04	1,3673	440,3
-20	318,89	1,3943	444,6
-25	315,72	1,4224	449,1

1.1. Температура, давление и плотность

Плотность сухого воздуха может быть вычислена с использованием уравнения Клапейрона для идеального газа при заданных температуре (англ.)

русск.
и давлении:

Здесь ρ
— плотность воздуха, p
— абсолютное давление, R
— удельная газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж ⁄ (кг·К)
) , T
— абсолютная температура в Кельвинах. Таким образом подстановкой получаем:

при стандартной атмосфере Международного союза теоретической и прикладной химии (температуре 0°С, давлении 100 КПа, нулевой влажности) плотность воздуха 1,2754 кг ⁄ м³
;
при 20 °C, 101,325 КПа и сухом воздухе плотность атмосферы составляет 1,2041 кг ⁄ м³
.

В приведенной таблице даны различные параметры воздуха, вычисленные на основании соответствующих элементарных формул, в зависимости от температуры (давление взято за 101,325 КПа)

1.2. Влияние влажности воздуха

Под влажностью понимается наличие в воздухе газообразного водяного пара, парциальное давление которого не превосходит давления насыщенного пара для данных атмосферных условий. Добавление водяного пара в воздух приводит к уменьшению его плотности, что объясняется более низкой молярной массой воды (18 гр ⁄ мол
) по сравнению с молярной массой сухого воздуха (29 гр ⁄ мол
). Влажный воздух может рассматриваться как смесь идеальных газов, комбинация плотностей каждого из которых позволяет получить требуемое значение для их смеси. Подобная интерпретация позволяет определение значения плотности с уровнем ошибки менее 0,2% в диапазоне температур от −10 °C до 50 °C и может быть выражена следующим образом:

где — плотность влажного воздуха ( кг ⁄ м³
); p
d

— парциальное давление сухого воздуха (Па); R
d

— универсальная газовая постоянная для сухого воздуха (287,058 Дж ⁄ (кг·К)
); T

— температура (K); p
v

— давление водяного пара (Па) и R
v

— универсальная постоянная для пара (461,495 Дж ⁄ (кг·К)
). Давление водяного пара может быть определено исходя из относительной влажности:

где p
v

— давление водяного пара; φ
— относительная влажность и p
sat
— парциальное давление насыщенного пара, последнее может быть представлено в виде следующего упрощенного выражения:

которое дает результат в миллибарах. Давление сухого воздуха p
d

определяется простой разницей:

где p

обозначает абсолютное давление рассматриваемой системы.

1.3. Влияние высоты над уровнем моря в тропосфере

Зависимость давления, температуры и плотности воздуха от высоты по сравнению со стандартной атмосферой (p
0 =101325 Па, T 0
=288,15 K, ρ 0
=1,225 кг/м³).

Для вычисления плотности воздуха на определенной высоте в тропосфере могут использоваться следующие параметры (в параметрах атмосферы указано значение для стандартной атмосферы):

стандартное атмосферное давление на уровне моря — p
0 = 101325 Па;
стандартная температура на уровне моря — T 0
= 288,15 K;
ускорение свободного падения над поверхностью Земли — g
= 9,80665 м ⁄ сек 2
(при данных вычислениях считается независимой от высоты величиной);
скорость падения температуры (англ.)

русск.
с высотой, в пределах тропосферы — L
= 0,0065 K ⁄ м
;
универсальная газовая постоянная — R
= 8,31447 Дж ⁄ (Мол·K)
;
молярная масса сухого воздуха — M
= 0,0289644 кг ⁄ Мол
.

Для тропосферы (т.е. области линейного убывания температуры — это единственное свойство тропосферы, используемое здесь) температура на высоте h
над уровнем моря может быть задана формулой:

Давление на высоте h
:

Тогда плотность может быть вычислена подстановкой соответствующих данной высоте h температуры T и давления P в формулу:

Эти три формулы (зависимость температуры, давления и плотности от высоты) и использованы для построения графиков, приведенных справа. Графики нормализованы — показывают обший вид поведения параметров. «Нулевые» значения для верных вычислений нужно каждый раз подставлять в соответствии с показаниями соответствующих приборов (градусника и барометра) на данный момент на уровне моря.

Влияние на организм человека

Комфортный уровень атмосферного давления для человека зафиксирован на отметке 760 мм ртутного столба. Однако, в течение суток происходит неоднократное изменение этого значения в сторону повышения или уменьшения.

В первую очередь это приводит к неправильной работе сердца и сосудов.

Резкое колебание погодных условий часто приводит: к анемии, аритмии, головной боли, слабости, потливости, гипертоническому и гипотоническому кризу, ишемии, боли в суставах, одышке, аллергии, нехватке воздуха.

Колебания уровня атмосферного давления оказывают угнетающее влияние на все живые организмы. В зоне риска и человек. Особенно это ощутимо, если АД человека значительно отличается от атмосферного. В горах или при полёте на самолёте человек зачастую страдает от резкой головной боли, звона в ушах и ломоты в теле.

Происходит это из-за расширения воздуха внутри человеческого тела. Под влиянием уменьшения внешнего давления органы испытывают огромную нагрузку и отзываются неприятными симптомами.

Смена погоды по-разному влияет на людей с повышенным и пониженным артериальным давлением:

Сбой сердечного ритма

Гиперемическое покраснение кожных покровов

Помутнение в глазах

Головная боль с локализацией в височной части

Тошнота, а в исключительных случаях – рвота

Действие высокого атмосферного давления

Высокое атмосферное давление сильно влияет на человека. Оно провоцирует активное насыщение жидкостей организма газами, уменьшение и выброс их в растворённом состоянии.

Если уменьшение давления происходит слишком стремительно, то происходит фактическое закипание крови под воздействием газов. При этом сосуды не справляются с нагрузкой и начинается их закупорка, которая без должного медицинского вмешательства часто приводит к летальному исходу.

Резкое увеличение атмосферного давления оказывает негативное влияние на страдающих гипертонией, бронхиальной астмой и различными видами аллергии.

При безветренной погоде в городских условиях промышленные газы концентрируются в воздухе и раздражающе действуют на людей с патологиями дыхательной системы, провоцируя их обострение. Ощущается недомогание, мигрень, сердечные боли и общая слабость.

Скачок атмосферного давления вверх становится причиной:

эмоциональных и даже психических расстройств;
снижения сексуального влечения;
снижения защитных функций организма. Это следствие падения уровня лейкоцитов крови, а ведь именно они помогают организму противостоять инфекциям;
увеличения риска инфарктных и инсультных состояний, развития гипертонических кризов.

Действие низкого атмосферного давления

Снижение атмосферного давления приводит к повышенной влажности воздуха и росту его температуры. Особенно такое явление чувствуют люди, страдающие гипотонией (низким АД), заболеваниями сердца и сосудов.

Дыхательная система отзывается:

общей слабостью;
затруднением дыхания;
острой нехваткой воздуха;
одышкой.

Низкое атмосферное давление провоцирует: приступы мигрени у людей с внутричерепным давлением, метеоризм в кишечнике и дискомфорт в ЖКТ.