Найважливіший газ

Фізичні властивості повітря

Густина повітря та її залежність від температури

Представлено таблицю значень густини повітря в сухому стані при різних температурах і нормальному атмосферному тиску.

Чому дорівнює густина повітря?

Аналітично визначити густину повітря можна, якщо розділити його масу на об’єм, який він займає при заданих умовах (тиск, температура і вологість). Також можна обчислити його густину за формулою рівняння стану ідеального газу – рівнянням Клапейрона.  Для цього необхідно знати тиск і температуру повітря, а також універсальну газову постійну і його молярний об'єм. Це рівняння дозволяє обчислити густину повітря в сухому стані.

На практиці, щоб дізнатися яка густина повітря при різних температурах, зручно скористатися готовими таблицями. Наприклад, наведеною таблицею значень густин атмосферного повітря в залежності від його температури. Густина повітря в таблиці виражена в кілограмах на кубічний метр і дана в інтервалі температур від -50°С до +1200 °С при нормальному атмосферному тиску (101 325 Па).

Густина повітря в залежності від температури – таблиця 1

При 25 ° С повітря має густину 1,185 кг/м³. При нагріванні густина повітря знижується - повітря розширюється (його питомий об'єм збільшується). З ростом температури, наприклад до 1 200 °С, досягається дуже низька густина повітря, що дорівнює 0,239 кг/м³, що в 5 разів менша за її значення при кімнатній температурі. У загальному випадку, зниження густини газів при нагріванні дозволяє проходити такого процесу, як природна конвекція і застосовується, наприклад, в повітроплаванні.

Якщо ж порівняти густину та густину води, то повітря легше, в середньому, на три порядки - при температурі 4 °С густина води дорівнює 1000 кг/м³, а відповідно густина повітря дорівнює 1,27 кг/м³. Необхідно також відзначити значення густини повітря при нормальних умовах. Нормальними умовами для газів є такими, при яких їх температура дорівнює 0 ° С, а тиск дорівнює нормальному атмосферному. Таким чином, згідно з таблицею, густина повітря при нормальних умовах дорівнює 1,293 кг/м³.

Динамічна та кінематична в'язкість повітря при різних температурах

При виконанні теплових розрахунків необхідно знати значення коефіцієнта в'язкості при різних температурах. Ця величина потрібна для обчислення чисел Рейнольдса, Грасгофа, Релея, значення яких однозначно визначають режим течії цього газу. У таблиці дано значення коефіцієнтів динамічної μ та кінематичної ν в'язкості повітря в діапазонах температур від -50 до 1200 °С при нормальному атмосферному тиску.

Коефіцієнт в'язкості повітря з підвищенням його температури значно збільшується. Наприклад, кінематична в'язкість повітря дорівнює 15,06·10^-6 м²/с при температурі 20 °С, а з підвищенням температури до 1200 °С в'язкість повітря дорівнює 233,7·10^-6 м²/с, тобто збільшується в 15 ,5 разів! Динамічна в'язкість повітря при температурі 20 °С дорівнює 18,1·10^-6 Па·с.

При нагріванні повітря збільшуються значення як кинематичної, так і динамічної в'язкостей. Ці дві величини пов'язані між собою через величину густини повітря, значення якої зменшується при нагріванні цього газу. Збільшення кінематичної і динамічної в'язкостей повітря (як і інших газів) при нагріванні пов'язано з більш інтенсивним коливанням молекул повітря навколо їх положень рівноваги (згідно МКТ).

Динамічна та кінематична в'язкість повітря при різних температурах – таблиця 2.

Питома теплоємність повітря при температурах від -50 до 1200 °С

Представлено ​​таблицю питомої теплоємності повітря при різних температурах. Теплоємність в таблиці дано при постійному тиску (ізобарна теплоємність повітря) в інтервалі температур від -50 до 1200 °С для повітря в сухому стані.

Чому дорівнює питома теплоємність повітря?

Величина питомої теплоємності визначає кількість тепла, яку необхідно підвести до одного кілограма повітря при постійному тиску для збільшення його температури на 1 градус. Наприклад, при 20 °С для нагрівання 1 кг цього газу на 1 ° С при изобарному процесі, потрібно підвести 1 005 Дж тепла.

Питома теплоємність повітря збільшується зі зростанням його температури. Однак, залежність масової теплоємності повітря від температури НЕ є лінійною. В інтервалі від -50 до 120 °С її величина практично не змінюється - в цих умовах середня теплоємність повітря дорівнює 1 010 Дж/(кг·град). За даними таблиці видно, що значний вплив температури починає проявлятися зі значення 130 °С. Однак, температура повітря впливає на його питому теплоємність набагато слабше, ніж на в'язкість. Так, при нагріванні з 0 до 1 200 °С теплоємність повітря збільшується лише в 1,2 рази - з 1 005 до 1 210 Дж/(кг·град).

Слід зазначити, що теплоємність вологого повітря є більшою, ніж сухого. Якщо порівняти теплоємність води і повітря, то очевидно, що вода має вище значенням і вміст води в повітрі призводить до збільшення питомої теплоємності.

Питома теплоємність повітря при різних температурах – таблиця 3.

Теплопровідність, температуропровідність та число Прандтля для повітря

У таблиці представлено такі фізичні властивості атмосферного повітря, як теплопровідність, температуропровідність і  значення числа Прандтля в залежності від температури. Теплофізичні властивості повітря дано в інтервалі від -50 до 1200 °С для сухого повітря. За даними таблиці видно, що зазначені властивості повітря істотно залежать від температури і температурна залежність розглянутих властивостей повітря є різною.

Теплопровідність повітря λ при підвищенні температури збільшується у всьому діапазоні, досягаючи при 1 200 °С величини 0,0915 Вт/(м·град). Інші теплофізичні властивості повітря такі, як його температуропровідність a і число Прандтля Pr, по-різному реагують на зміну температури. Температуропровідність, як і в'язкість повітря сильно залежить від температури і при нагріванні, наприклад від 0 до 1 200 °С, її значення зростає майже в 17 разів.

(Довідка. Температуропровідність (коефіцієнт температуропровідності) — це фізична величина, що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) температури речовини у нерівноважних теплових процесах. Чисельно дорівнює частці від ділення коефіцієнта теплопровідності тіла на добуток його питомої теплоємності та густини, в системі СІ вимірюється в м²/с).

Число Прандтля повітря слабо залежить від температури і при нагріванні цього газу його величина спочатку знижується до величини 0,674, а потім починає зростати, і при температурі 1 200 °С досягає значення 0,724.

(Довідка. Число Прандтля  — критерій подібності теплових процесів в газах і рідинах. Критерій названо на честь Людвіґа Прандтля (1875—1953) — німецького вченого у галузі механіки, одного із засновників експериментальної аеродинаміки. Число Прандтля характеризує подібність полів швидкості та температури в потоці і є мірою співвідношення інтенсивності перенесення імпульсу внутрішнім тертям та інтенсивності перенесення енергії теплопровідністю в потоці рідини).

Фізичні властивості атмосферного повітря – таблиця 4

Ентропія сухого повітря

У таблиці представлено значення такої теплофізичної властивості повітря, як питома ентропія. Значення ентропії подано для сухого повітря в розмірності кДж/(кг·град) в залежності від температури та тиску. Питому ентропію подано в таблиці в інтервалі температур від -50 до +50 °С при тиску повітря від 90 до 110 кПа. Слід зазначити, що при нормальному атмосферному тиску (101,325 кПа) та температурі, наприклад 30 °С, питома ентропія повітря дорівнює 0,1044 кДж/(кг·град).

(Довідка. Ентропія $—$фізична величина, яка використовується для опису термодинамічної системи, є одною з основних термодинамічних величин. Ентропія є функцією стану термодинамічної системи і широко використовується в термодинаміці, в тому числі технічній (аналіз роботи теплових машин і холодильних установок) і хімічній (розрахунок рівноваги хімічних реакцій). Твердження про існування і зростання ентропії та перелік її властивостей складають зміст другого начала термодинаміки. Значущість цієї величини для фізики обумовлена тим, що поряд з температурою, її використовують для опису термічних явищ і термічних властивостей макроскопічних об'єктів. Ентропію також називають мірою хаосу. Питома ентропія – це відношення ентропії до міри температури в системі СІ).

Джерело:

1. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.