Температура замерзания воды под давлением 2 атмосферы: замерзает ли и при какой t°, в зависимости от чего (таблица соотношений)? – Физики вычислили температуру замерзания переохлажденной воды

замерзает ли и при какой t°, в зависимости от чего (таблица соотношений)?

Замерзает ли?

При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,1 мПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.

Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.

В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.

Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.

Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.

Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.

Но при этом нет такого давления, при котором бы вода совсем не замерзала. Другое дело, что в лабораторных условиях можно создать такую ситуацию, при которой вода будет замерзать только при -20…-40°С.

Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.

Температура в зависимости от показателя

Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

Как они взаимосвязаны?

При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

Температура, °С	Давление, мПа
0	0,1
-1	1
-2	30
-3	40
-4	50
-5	60
-10	110
-22	210

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.

Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси – пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.

Каково давление замерзающей жидкости?

Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.

Как влияет тип воды?

Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

В ней отсутствуют ядра кристаллизации, и поэтому она замерзает только при очень низких температурах – эксперименты показали, что при -42°С.

Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

В лабораторных условиях проводились эксперименты, при которых давление увеличивали до очень высоких значений, так что дистиллят замерзал только при -70°С.

Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.

Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

Применение знаний в быту человека

В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Сведения об этих показателях и их соотношениях также нужны тем, кто занимается прокладкой отопительных систем. Важны они и для автомобилистов, которым приходится часто сталкиваться с замерзанием жидкости в радиаторе.

Заключение

Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.

Температура замерзания — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Температура замерзания (также температура кристаллизации, температура затвердевания) — температура, при которой вещество совершает фазовый переход из жидкого состояния в твёрдое. Обычно совпадает с температурой плавления. Формировании кристаллов происходит при специфичной для конкретного вещества температуре, слегка варьирующейся с давлением; в некристаллических аморфных телах (например, в стекле) затвердевание происходит в определённом диапазоне температур. В случае аморфных тел температурой плавления считается точка, в которой исчезают последние признаки твёрдой фазы, а температурой замерзания — точка, в которой, наоборот, полностью исчезает жидкая фаза; и эти две температуры различаются.

Температура затвердевания (и плавления) может отсутствовать у веществ, которые при нормальном давлении переходят из газообразного состояния прямо в твёрдое (например, у иода). При увеличении давления температура затвердевания обычно слегка повышается, но существуют и исключения (так, с повышением давления температура замерзания воды падает).

Температура затвердевания смесей жидкостей (например, раствора спирта в воде) ниже более высокой из температур замерзания компонентов («второй закон Рауля»). При этом смесь обычно замерзает постепенно в некотором диапазоне температур, и точка полного исчезновения следов жидкой фазы зачастую значительно ниже, чем температура замерзания любого из компонентов. Этот эффект широко используется на практике, так, в системе охлаждения двигателей используется антифриз в виде смеси (эвтектики) воды с этиленгликолем. Хотя последний замерзает при −25° С, смесь при соотношении воды и этиленгликоля 1:3 может оставаться в жидком состоянии при температурах до −75° С. Насыщенный раствор поваренной соли в воде не замерзает до −21° С, благодаря этому посыпание дороги солью помогает при гололёде.

незамерзающий водопровод на даче – domovoi111 — LiveJournal

Решил сделать так чтобы водопроводом на даче можно было пользоваться и зимой.

С точки зрения  стойкости к замерзанию водопровод условно делится на 3 участка. И везде свои способы борьбы за незамерзаемость.

1.Источник водоснабжения (колодец или скважина)

2 Трубопровод до дома

3 Ввод в дом

У меня скважина с погружным насосом на глубине около 20м. Замерзания здесь нет по определению.

На втором участке либо прокладывают трубу  в траншею с глубиной не менее глубины промерзания грунта(1.5 м в подмосковье) или прокладывают неглубоко или даже по верху, но с возможностью после закачки воды в дом, сливаться воде из труб обратно в источник.

Для этого нужно прокладывать трубы с небольшим уклоном в сторону источника, ну и принять меры, чтобы обратный клапан(у кого есть) не мешал этому процессу.

Еще один способ фигурирует на многих сайтах. Никто его никогда не использовал, но почему то пропагандируют, переписывая друг у друга. Вот он.

«Если врезать в водопровод небольшой ресивер и до отъезда с дачи нагнетать в него давление, равное 3-5 атмосферам, то вода в трубах не будет замерзать. Чтобы привести систему в рабочее состояние, требуется только стравить данное давление».   

 Да, точка замерзания воды понижается с увеличением давления. Но насколько?  Оказывается, только на 1 град. при возрастании давления на 300атм. При таком давлении водопровод не замерзнет от холода потому, что он не выдержит подобного давления и взорвется.

При давлении же 5-10атм вода как замерзала так и будет замерзать при 0ºC сколько бы об этом не писали в инете. В чем то эти заклинания напоминают Чумака заряжавшего воду в программах телевидения. Но человеку можно что то внушить, вода же будет замерзать как обычно сколько бы её не заклинать.

Третий участок заслуживает более подробного описания. Трубопровод проложен на достаточной глубине и не промерзает там,  но  при входе в подвал  имеется проблемный участок  водопровода, который проходит через зону отрицательных температур.

  Труба водопровода поднимается здесь из траншеи (1.5м), проходит холодный подвал
(еще 2-3м) и попадает в жилую зону. Длина этого проблемного участка водопровода составляет 3-5 М. 
Этот участок даже при очень хорошей теплоизоляции, но сильных морозах и при отсутствии регулярного во дозабора может замерзнуть.  Значит, для этого участка нужна  теплоизоляция и небольшой подогрев для гарантии. Надо понимать, что теплоизоляция просто увеличивает время промерзания, но не предотвращает его.

Кроме того, в доме могут быть водоводы  и накопительные емкости для воды, расположенные в неотапливаемом помещении, которые тоже требуют теплоизоляции и подогрева.

Как предохранить эти проблемные участки  водопровода от промерзания?

Рассмотрим  случай, когда водопровод постоянно заполнен водой и часть его находится в зоне отрицательных температур.

Вода в трубе на проблемном участке отдаёт свое тепло окружающему пространству. Температура её при этом понижается и при достижении 0 ºC она замерзает. Чтобы этого не случилось надо :

1. Создать хорошую теплоизоляцию вокруг трубы (только на проблемном участке), чтобы свести теплоотдачу к минимуму и уменьшить расход энергии на подогрев. Но при любой теплоизоляции энергопотери останутся, просто величина их снизится до приемлемого уровня.

2. Подвести к этому участку трубы (или к воде в трубе) тепловую энергию не меньшую по величине, чем величина энергопотерь. Это достаточное условия незамерзания.

Если бы по трубе постоянно протекала вода из источника, то она с собой приносила бы тепловую энергию, которая в принципе, могла бы компенсировать теплопотери.

Но на практике не бывает постоянного водоразбора в течение суток.  Ночью краны закрыты и вода в трубе стоит. Так что зимние ночи самое опасное время с т.з. замерзания водопровода.

Какую же мощность требуется подвести к трубе диаметром 20-25мм, чтобы исключить замерзание воды. Считается что при хорошей теплоизоляции в средней полосе России достаточно подвести 7-10вт на каждый метр трубы. Если участок трубы, склонный к замерзанию составляет 5 м, то требуется всего 50вт. 

  Для расчета величины теплопотерь можно использовать калькулятор  http://www.promizol.com/calculator/

Для подвода  тепла компенсирующего теплопотери обычно предлагается использовать греющий кабель. Греющий кабель который везде рекламируют предназначен совсем для других целей, поэтому стоит немалых денег и потребляет много энергии(неэкономичен). А электроэнергия сейчас дорогая.

А нам требуется всего 50-70вт. Для решения этой задачи решено было использовать недорогие, экономные и безопасные греющие секции совместно с термоизоляцией трубопровода.
Безопасные  в смысле невозможности поражения электрическим током, поскольку используется низкое безопасное напряжение.

Секции экономные так как при их разработке руководствовались принципом разумной достаточности – подавать столько энергии сколько необходимо на проблемном участке. Длина трубопровода обогреваемая одной секцией от 2м до 8м.  Стандартная удельная мощность секций 10вт/м  

Секция на трубе обернута алюминиевым скотчем и заключена в теплоизоляционную оболочку.

Адаптер питания для секций.

Секции экономные так как при их разработке руководствовались принципом разумной достаточности – подавать столько энергии сколько необходимо на проблемном участке. Длина трубопровода обогреваемая одной секцией от 2м до 8м.  Стандартная удельная мощность секций 10вт/м

Более подробная информация, где приобрести и толковые советы по устройству незамерзающего водопровода  http://oselok.narod.ru/

При какой температуре замерзает вода

Вода занимает две третьих земной поверхности и примерно столько же – в организме каждого из нас. Вода повсюду, однако до сих пор не изучена до конца, и даже самые простые ее свойства оставляют множество вопросов. Например, каждый школьник знает, что h3O может быть в трех состояниях: в жидком это вода, в газообразном – пар, и в твердой форме – лед. Но так ли очевиден ответ на вопрос, при какой температуре замерзает вода?

Что влияет на градус замерзания

Представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0°C – общеизвестно, что вода замерзает именно при этом градусе – и в эту среду мы помещаем кусочек льда и воду в жидком состоянии. Что произойдет? Собственно, ничего: вода не замерзнет, а лед не начнет таять. Объяснение в том, что в данной модели нет условий для фазового перехода.

Простыми словами: помимо снижения температуры до определенного градуса, на замерзание воды влияют и другие факторы. Один из них – атмосферное давление, которое создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. И температура замерзания воды находится в прямой зависимости от давления.

Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды. На высоте в 1000 метров вода замерзает при температуре +2 °C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизируется уже при +4 °C.

Наличие примесей

Также, кроме давления и температуры, на замерзание воды влияет ее состав: в ней в том или ином количестве находятся органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде снижается до необходимого градуса, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выполняют роль ядрового центра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замерзания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может охладиться до минусовой температуры, но не замерзнуть.

Итак, время замерзания воды зависит от таких факторов:

• атмосферное давление в окружающей среде;
• температура воздуха;
• количество жидкости;
• ее химический состав;
• в какой емкости находится h3O (или отсутствие емкости).

Феноменальные свойства h3O

Приведем еще несколько фактов об удивительном поведении воды:

• При замерзании молекулы воды расширяются, и ее масса становится тяжелей массы льда. Лед, согласно закону Архимеда, выталкивается на поверхность. Таким образом природа закрывает коркой льда водоемы, защищая и сохраняя все живое в их глубинах.
• Горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Звучит невероятно, но это так. Называется это явление «парадокс «Мпембы». Дело в том, что у горячей воды больше теплоотдача и более высокая насыщенность ядрами кристаллизации.
• В вакууме при 0°C вода сначала закипает, потом одна восьмая ее испаряется, а оставшееся количество замерзает.
• Учеными при лабораторных исследованиях была получена так называемая стеклообразная вода – аморфная твердая субстанция, из которой состоят кометы во Вселенной. Для перехода воды в такое состояние необходимо за считаные миллисекунды понизить температуру до -137 градусов Цельсия.
• Максимальной плотность h3O будет при +4°C.

Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео

Когда замерзает водопровод? Расчет в Excel.

Опубликовано 19 Авг 2019
Рубрика: Теплотехника | 9 комментариев

Однажды довелось наблюдать успешный опыт эксплуатации технического водопровода, проложенного по воздуху от скважины до административного здания. В условиях сибирской зимы при температуре воздуха временами до -37 ˚С поставленный на постоянный…

…минимальный проток водопровод ни разу не перемерз, успешно обеспечивая водой санузлы. Несмотря на некоторую странность темы статьи, попробуем разобраться.

Для ответа на вопрос «Когда замерзает водопровод?» нет необходимости составлять очередной алгоритм и писать программу. В предыдущих публикациях на этом сайте в категории «Теплотехника» есть для этого все необходимые расчеты!

Пример. Расчет в Excel.

Условия задачи:

Проложенный по воздуху в неотапливаемом помещении участок стального водопровода без теплоизоляции длиной L=20 м выполнен из круглой трубы с наружным диаметром D=33,5 мм и с толщиной стенки s=2,8 мм. Температура окружающего воздуха (среды) t_с=-10 °С. Скорость движения воздуха v=1 м/с. Температура воды на входе в трубопровод t₁=+5 °С. Давление воды в трубопроводе P=0,1 МПа. Коэффициент температуропроводности воды а=0,000000143 м²/с. Температура замерзания воды t₃=0

°С.

Требуется:

1. Найти время начала замерзания воды в трубе при отсутствии расхода.

2. Вычислить минимальный расход воды, при котором водопровод не замерзает.

Решение:

1. Для вычисления плотности, теплоемкости и теплопроводности воды воспользуемся программой из статьи «Теплофизические свойства воды». В исходные данные введем среднюю температуру воды из интересующего нас диапазона +5…0 °С.

Время остывания воды (труба полностью заполнена) до критической температуры замерзания при отсутствии расхода рассчитаем по программе из статьи «Время охлаждения (нагрева)». Все исходные данные для этого у нас есть из условий задачи и предыдущего первого расчета.

Первая часть задачи решена. Время охлаждения неподвижной воды в трубопроводе до 0 °С — около 21 минуты.

Обращаю внимание и напоминаю, что выполненный расчет носит оценочный характер! В частности, теплоемкость оболочки – стенки стальной трубы – этот расчет не учитывает.

Если бы скорость ветра в задаче была не 1 м/с, а, например, 10 м/с, то резко бы увеличился коэффициент теплоотдачи на границе «труба-воздух» α=45,6 Вт/(м²*К). И время до начала замерзания водопровода составило бы всего 4…5 минут! (В примечании к ячейке D3 программы приведены справочные данные, формулы и рекомендации по определению α.)

2. Минимальный теоретический расход воды, при котором водопровод не должен замерзать, рассчитаем с помощью программы из статьи «Расчет теплоотдачи трубы». Примем температуру воды на выходе из трубопровода t₂=+1 °С. Это означает, что падение температуры воды на двадцати метрах не должно превысить |d_tтрГГ|=4 °С.

Сравнительно небольшой проток 0,015 кг/с (или примерно 0,92 л/мин) воды с температурой t₁=+5 °С на входе обеспечит мощность притока тепловой энергии

P_трГГ=256,6 Вт, которой достаточно для поддержания системы в стационарном равновесном состоянии. При этом температура воды на выходе двадцатиметровой трубы будет равна t₂=+1 °С.

Проверка:

Проверим выполненные расчеты по еще одной программе из статьи «Регистры отопления из труб».

Рассчитанная мощность Q=262 Вт приближенно равна теплоотдаче из предыдущего третьего расчета P_трГГ=256,6 Вт, а вычисленный коэффициент теплоотдачи α=9,6 Вт/(м²*К) равен коэффициенту теплоотдачи из второго расчета, где его в исходных данных мы определили по скорости движения воздуха.

Ответ:

1. Замерзает водопровод при отсутствии движения воды уже через 21 минуту.

2. При расходе воды около 1 л/мин (при средней скорости движения воды ~ 25 мм/с) водопровод из условий задачи в спокойном воздухе с температурой -10 °С не должен замерзнуть никогда.

Заключение.

Конечно, в реальных условиях температуру воды +1 °С на выходе из трубопровода поддерживать нельзя. Желательно иметь запас подальше от точки кристаллизации с учетом возможных колебаний скорости и температуры, как воздуха, так и воды. Также необходимо учитывать наличие сужений и массивных теплоотводов-холодильников в виде опор трубопровода, корпусов и других деталей запорной арматуры.

Все четыре использованные в статье теплотехнические программы в Excel доступны на сайте для свободного скачивания.

Прошу уважающих труд автора  скачивать файлы с программами расчетов после подписки на анонсы статей!

P. S. (25.11.2019)

Проверил в программе Agros2D результаты расчетов, выполненных в статье.

Результат: при всех тех же исходных данных и коэффициенте теплоотдачи на наружной поверхности трубы α=9,6 Вт(м²*К) процесс замерзания воды в трубе при отсутствии движения начнется через ~23 минуты (1380 секунд).  Расчет в Agros2D выполнен без учета конвективного перемешивания воды в трубе, но с учетом теплоемкости стенки трубы, которая «добавила» к предыдущему результату пару минут.

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы