Плотность, удельный вес и коэффициенты теплового расширения воды

Обзор

Плотность — это отношение массы к объему:

$\rho = \frac{m}{V}$

где $\rho$ — плотность, $m$ — масса, $V$ — объем. Плотность обычно выражается в г/см^3, кг/м^3, фунт/фут^3 или слаг/фут^3.

Чистая вода достигает максимальной плотности, примерно 1000 кг/м^3 или 1.940 слаг/фут^3, при 4 °C (39.2 °F). При повышении температуры плотность уменьшается, поскольку вода расширяется.

Удельный вес — это отношение веса к объему:

$\gamma = \frac{m g}{V} = \rho g$

где $\gamma$ — удельный вес, $g$ — ускорение свободного падения. Стандартное ускорение свободного падения обычно принимается равным 9.80665 м/с^2 или 32.17405 фут/с^2.

Для воды при 4 °C в единицах СИ:

$\gamma = 1000 \; \text{kg/m}^3 \times 9.807 \; \text{m/s}^2 = 9807 \; \text{N/m}^3 = 9.807 \; \text{kN/m}^3$

В инженерных единицах имперской системы плотность воды при 39 °F составляет примерно 1.940 слаг/фут^3:

$\gamma = 1.940 \; \text{sl/ft}^3 \times 32.174 \; \text{ft/s}^2 = 62.4 \; \text{lbf/ft}^3$

Онлайн-калькулятор плотности воды

На исходной странице представлен калькулятор плотности жидкой воды при заданной температуре, который выводит плотность в г/см^3, кг/м^3, фунт/фут^3, фунт/гал (US liq) и слаг/фут^3. Исходные допустимые диапазоны температур: 0–370 °C, 32–700 °F, 273–645 K и 492–1160 °R.

Калькулятор ниже использует приближение для стандартного атмосферного давления для жидкой воды вблизи обычного жидкого диапазона. Для проектных работ, условий насыщения выше 100 °C или повышенного давления используйте табличные значения.

Переменные

Интерактивные графики плотности

На исходной странице представлены три изображения плотности: плотность воды в зависимости от температуры в °C, плотность воды в зависимости от температуры в °F и плотность в зависимости от температуры при повышенном давлении. Нижеприведенные графики воссоздают эти наборы данных из исходных табличных значений, чтобы можно было интерактивно изучать кривые.

Плотность, удельный вес и тепловое расширение в °C

Значения в диапазоне 0–100 °C приведены для 1 атм. Значения выше 100 °C соответствуют давлению насыщения.

Плотность, удельный вес и тепловое расширение в degF

Значения от 32-212 degF при давлении 1 атм. Значения выше 212 degF при давлении насыщения.

Плотность и удельный вес при давлении 1000 psi

Исходная таблица приводит плотность и удельный вес воды при 1000 psi (68.1 атм). При этом давлении точка кипения, указанная в источнике, составляет 284.8 degC (544.58 degF).

Плотность и удельный вес при давлении 10000 psi

Преобразование единиц и примеры

Вес на один галлон США основан на 7.48 gal/ft^3.

Один жидкий галлон США равен:

• 3.7854 l
• 0.8327 gal(UK)
• 0.8594 gal(US dry)
• 0.1074 bu(US dry)
• 0.4297 pk(US dry)
• 4 qt(US liq)
• 8 pt(US liq)
• 16 c(US)
• 32 gi(US liq)
• 128 fl oz(US)
• 1024 fl dr(US)
• 3.7854e-3 m^3
• 0.1337 ft^3
• 4.951e-3 yd^3

Перевод плотности из 1 kg/m^3:

Пример 2 из исходной страницы конвертирует плотность воды при 20 °C:

$998.21 \; \text{kg/m}^3 \times 0.0005780 = 0.5797 \; \text{oz/in}^3$

В примере 3 рассчитывается масса воды в баке. Бак объемом 10 м^3 содержит горячую воду при 190 °F. Из таблицы для °F плотность составляет 966.8 кг/м^3:

$10 \; \text{m}^3 \times 966.8 \; \text{kg/m}^3 = 9668 \; \text{kg}$

Исходные изображения

Следующие исходные изображения сохранены, чтобы не потерять визуальный справочный материал. Если изображение содержит диаграмму или табличные данные, извлеченные значения представлены в таблицах, калькуляторах или интерактивных диаграммах на странице; остальные изображения сохранены как визуальные справочные ссылки.

Инженерные примечания

• Зависимость плотности от температуры не является линейной. Поэтому коэффициент объемного расшиpeния не является постоянным во всем диапазоне температур.
• Вода имеет наибольшую плотность при температуре около 4 °C. Эта аномалия важна в гидростатике, естественной конвекции, расчетах защиты от замерзания и резервуаров для хранения.
• Выше точки нормального кипения данные в таблицах для 1 атм уже не соответствуют жидкой воде при атмосферном давлении; в исходном источнике приводятся значения при давлении насыщения.
• Давление увеличивает плотность жидкой воды. Диаграмма зависимости от давления и таблицы для высоких давлений показывают разницу между 1 атм (или давлением насыщения), 1000 psi и 10000 psi.
• В таблицах в системе единиц США lbm/ft^3 и lbf/ft^3 численно схожи при стандартной силе тяжести, но плотность и удельный вес — это разные физические величины.

Источники

• Engineering ToolBox - Water Density, Specific Weight and Thermal Expansion Coefficients
• Исходные наборы данных изображений восстановлены как интерактивные диаграммы из файлов water_density_C.jpg, water_density_F.jpg и Water_density_temp_pressure_F.jpg.