水的密度、重度和热膨胀系数

概述

密度是质量与体积的比值：

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

其中 $\rho$ 是密度，$m$ 是质量，$V$ 是体积。密度通常表示为 g/cm^3、kg/m^3、lb/ft^3 或 sl/ft^3。

纯水在 4 degC (39.2 degF) 时达到最大密度，约为 1000 kg/m^3 或 1.940 slug/ft^3。在此温度以上，随着水膨胀，密度降低。

重度是重量与体积的比值：

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

其中 $\gamma$ 是重度，$g$ 是重力加速度。标准重力通常取为 9.80665 m/s^2 或 32.17405 ft/s^2。

对于在 SI 单位下 4 degC 的水：

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

在英制工程单位中，39 degF 时的水密度约为 1.940 sl/ft^3：

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

在线水密度计算器

原始页面包含一个计算器，用于计算给定温度下液态水的密度，并报告密度为 g/cm^3、kg/m^3、lb/ft^3、lb/gal(US liq) 和 sl/ft^3。原始有效温度范围为 0-370 degC、32-700 degF、273-645 K 和 492-1160 degR。

下面的计算器使用标准大气压近似值，适用于普通液体范围附近的液态水。对于设计工作、100 degC 以上的饱和条件或高压情况，请使用表格值。

变量

交互式密度图表

原始页面包含三个密度图像：水密度与温度（degC）的关系、水密度与温度（degF）的关系，以及高压下密度与温度的关系。下面的图表从原始表格值中重新创建这些图像数据集，以便可以交互式地检查曲线。

以 degC 为单位的密度、重度和热膨胀系数

从 0-100 degC 的值在 1 atm 下。100 degC 以上的值在饱和压力下。

以 degF 为单位的密度、重度和热膨胀系数

从 32-212 degF 的值在 1 atm 下。212 degF 以上的值在饱和压力下。

1000 psi 下的密度和重度

原始表格给出了 1000 psi (68.1 atm) 下的水密度和重度。在此压力下，来源中注明的沸点为 284.8 degC (544.58 degF)。

10000 psi 下的密度和重度

单位转换和示例

每美国加仑的重量基于 7.48 gal/ft^3。

一个美国液态加仑等于：

• 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

从 1 kg/m^3 开始的密度转换：

原始页面的示例 2 转换了 20°C 时水的密度：

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

示例 3 计算储水箱中水的质量。一个容积为 10 m^3 的水箱装有 190°F 的热水。根据华氏温度表，密度为 966.8 kg/m^3：

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

原始来源图片

为避免丢失视觉参考材料，保留了以下原始来源图片。当图片包含图表或表格数据时，其提取的值已在页面的表格、计算器或交互式图表中呈现；其余图片则作为视觉来源参考保留。

工程注释

• 密度-温度关系是非线性的。因此，在整个温度范围内，体积膨胀系数不是常数。
• 水在接近 4°C 时密度最大。这一异常现象在流体静力学、自然对流、防冻保护和储水箱计算中很重要。
• 高于正常沸点时，1 个大气压表格中的数据不再是大气压下的液态水数据；原始来源报告的是饱和压力下的数值。
• 压力会增加液态水的密度。压力图表和高压表格显示了 1 atm 或饱和压力、1000 psi 和 10000 psi 之间的差异。
• 在美国习惯单位表格中，在标准重力加速度下 lbm/ft^3 和 lbf/ft^3 数值相近，但密度和比重是不同的物理量。

参考文献

• 工程工具箱 - 水的密度、比重和热膨胀系数
• 从 water_density_C.jpg、water_density_F.jpg 和 Water_density_temp_pressure_F.jpg 恢复并创建的交互式图表原始图片数据集。