Свойства воздуха — Плотность, Вязкость, Теплоемкость, Теплопроводность

Обзор

Сухой воздух представляет собой смесь примерно из 78 % азота, 21 % кислорода и 1 % аргона по объему. Его термофизические свойства зависят от температуры и давления и являются важными входными данными для проектирования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), расчетов горения, пневматических систем и атмосферных наук. Эта страница обобщает ключевые значения свойств при стандартных условиях, предоставляет компактные справочные таблицы и иллюстрирует типичные инженерные расчеты.

Свойства при стандартных условиях

Модуль объёмной упругости

В справочнике свойств воздуха указан Модуль объёмной упругости для воздуха. При стандартном атмосферном давлении это приблизительно 1.01325×10^5 Pa (101.325 kPa), что эквивалентно 14.7 psi.

Данные о фазовых переходах и критической точке

Критическая плотность в критической точке составляет 302.6 kg/m³.

Интерактивные точки фазовой диаграммы воздуха

Оригинальная фазовая диаграмма воздуха сохранена ниже. Её обозначенные контрольные точки также представлены здесь в виде структурированных данных, чтобы информация о фазовых переходах была доступна не только в растровом изображении.

Плотность vs Температура

Плотность убывает примерно линейно с температурой в умеренных диапазонах, но истинная зависимость следует закону идеального газа ($\rho \propto 1/T$).

Калькулятор — Плотность воздуха (идеальный газ)

Калькулятор — Масса воздуха

Калькулятор — Динамическая и кинематическая вязкость

Значения из таблицы-источника интерполированы для сухого воздуха при атмосферном давлении.

Калькулятор — Теплопроводность

Калькулятор — Удельная теплоёмкость и явное тепло

Калькулятор — Подъёмная сила плавучести

Восстановленные оригинальные таблицы

Следующие таблицы восстановлены с оригинальной страницы источника для сохранения полных справочных данных.

Сигналы калькулятора источника

Кешированная страница источника содержит одну форму и 58 входных элементов, однако эти сигналы поступают от общих элементов управления страниц Engineering ToolBox и виджетов поиска/макета, а не от 59 независимых калькуляторов свойств воздуха. Перенесённые функциональные аналоги для основных инженерных расчётов — это калькуляторы плотности, массы воздуха, динамической и кинематической вязкости, теплопроводности, явного тепла и подъёмной силы горячего воздуха, представленные выше.

Оригинальные изображения источника

Следующие оригинальные изображения источника сохранены, чтобы избежать потери визуального справочного материала. Если изображение содержит диаграмму или табличные данные, его извлечённые значения представлены в таблицах страницы, калькуляторах или интерактивных графиках; остальные изображения сохранены как визуальные справочные ссылки.

Инженерные заметки

• Важность влажности. Приведенные выше значения относятся к сухому воздуху. Влажный воздух менее плотен при той же температуре и давлении, поскольку водяной пар ($M \approx 18$) легче смеси N₂/O₂, которую он вытесняет. Используйте плотность, скорректированную с учетом влажности, для точных расчетов HVAC и психрометрии.
• Зависимость от давления. При умеренных давлениях (примерно 0.5–2 бар) воздух ведет себя почти идеально. При высоких давлениях (например, в системах сжатого воздуха выше 10 бар) применяйте поправки на сжимаемость.
• Стандартные эталонные состояния. Данные часто приводятся при 0 °C / 1 бар или при 15 °C / 1 атм (стандарт ISA). Всегда уточняйте эталонное состояние при сравнении значений из разных источников.
• Критическая точка. Выше 132.63 K и 3.786 МПа воздух не может быть сжижен только давлением; это важно для проектирования криогенных установок разделения воздуха.
• Тенденция вязкости. В отличие от жидкостей, вязкость газа увеличивается с температурой из-за более интенсивного переноса молекулярного импульса. Динамическая вязкость возрастает примерно с 17 мкПа·с при 0 °C до примерно 23 мкПа·с при 100 °C.
• Показатель адиабаты. Соотношение $k = C_p/C_v \approx 1.40$ для сухого воздуха при нормальных условиях широко используется в расчетах изоэнтропийного течения и сжатия.

Ключевые формулы

Плотность идеального газа

$\rho = \frac{p}{R\,T}$

где $p$ — абсолютное давление (Па), $R$ — удельная газовая постоянная для сухого воздуха ($287.058\;\text{Дж кг}^{-1}\text{К}^{-1}$), и $T$ — абсолютная температура (К).

Масса из плотности

$m = V\,\rho$

Выталкивающая (подъёмная) сила

$F_l = V\left(\rho_{\text{cool}} - \rho_{\text{hot}}\right)g$

Явный теплообмен

$Q = m\,C_p\,\Delta T$

Переменные

Литература

• Engineering ToolBox — Свойства воздуха
• Справочник CRC по химии и физике, стандартные термофизические таблицы
• ISO 2533:1975 — Стандартная атмосфера