Физические свойства сухого воздуха
Физические свойства сухого воздуха при 20 °C и атмосферном давлении: плотность 1,205 кг/м³, удельная теплоёмкость 1,005 кДж/(кг·К), теплопроводность 0,0259 Вт/(м·К), кинематическая вязкость 15,1·10⁻⁶ м²/с. Ниже — подробное описание свойств и таблица их зависимости от температуры.
Физические свойства сухого воздуха играют ключевую роль во многих областях науки и техники, включая метеорологию, авиацию, HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха), а также в различных инженерных расчетах. Вот основные физические свойства сухого воздуха при стандартных условиях (температура 0 °C и давление 101,325 кПа):
Плотность
Плотность сухого воздуха при стандартных условиях составляет около 1,29 кг/м³. Плотность изменяется в зависимости от температуры и давления, уменьшаясь при повышении температуры и увеличиваясь при повышении давления.
Плотность при другой температуре и давлении считают по уравнению состояния идеального газа:
ρ = p / (R · T)
- ρ — плотность, кг/м³;
- p — абсолютное давление, Па;
- R = 287 Дж/(кг·K) — газовая постоянная воздуха;
- T — абсолютная температура, K.
Пример: при 101 325 Па и 20 °C (293,15 K) плотность равна 101 325 / (287 · 293,15) ≈ 1,204 кг/м³. На каждые 10 K нагрева плотность падает примерно на 3,5 %, поэтому летом вентиляторы конденсаторов перекачивают меньше массы воздуха при том же объёмном расходе.
Теплопроводность
Теплопроводность сухого воздуха при 0 °C составляет около 0,024 Вт/(м·К). Это значение меняется в зависимости от температуры, но для большинства практических расчетов изменение невелико.
Удельная теплоемкость
Удельная теплоемкость при постоянном давлении (Cp) для сухого воздуха составляет около 1005 Дж/(кг·К), а при постоянном объеме (Cv) — около 717 Дж/(кг·К).
Вязкость
Динамическая вязкость сухого воздуха при 0 °C составляет около 1,72·10⁻⁵ Па·с (Паскаль-секунд). Кинематическая вязкость составляет около 1,33·10⁻⁵ м²/с.
Скорость звука
Скорость звука в сухом воздухе при 0 °C и стандартном атмосферном давлении составляет около 331 м/с. Скорость звука увеличивается с повышением температуры.
Проницаемость
Проницаемость сухого воздуха для водяных паров составляет около 2,8·10⁻¹¹ кг/(м·с·Па) при 0 °C.
Эти свойства сухого воздуха используются в различных инженерных расчетах, включая расчеты эффективности отопительных, вентиляционных и кондиционирующих систем, аэродинамические расчеты в авиации и астрономии, а также в метеорологии для прогнозирования погоды и анализа климата.
| t, °C | ρ, кг/м³ | cp, кДж/(кг·°C) | λ·102, Вт/(м·°C) | a·106, м²/с | μ·106, Па·с | ν·106, м²/с | Pr |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| −50 | 1,584 | 1,013 | 2,04 | 12,7 | 14,6 | 9,23 | 0,728 |
| −40 | 1,515 | 1,013 | 2,12 | 13,8 | 15,2 | 10,04 | 0,728 |
| −30 | 1,453 | 1,013 | 2,20 | 14,9 | 15,7 | 10,80 | 0,723 |
| −20 | 1,395 | 1,009 | 2,28 | 16,2 | 16,2 | 11,61 | 0,716 |
| −10 | 1,342 | 1,009 | 2,36 | 17,4 | 16,7 | 12,43 | 0,712 |
| 0 | 1,293 | 1,005 | 2,44 | 18,8 | 17,2 | 13,28 | 0,707 |
| 10 | 1,247 | 1,005 | 2,51 | 20,0 | 17,6 | 14,16 | 0,705 |
| 20 | 1,205 | 1,005 | 2,59 | 21,4 | 18,1 | 15,06 | 0,703 |
| 30 | 1,165 | 1,005 | 2,67 | 22,9 | 18,6 | 16,00 | 0,701 |
| 40 | 1,128 | 1,005 | 2,76 | 24,3 | 19,1 | 16,96 | 0,699 |
| 50 | 1,093 | 1,005 | 2,83 | 25,7 | 19,6 | 17,95 | 0,698 |
| 60 | 1,060 | 1,005 | 2,90 | 27,2 | 20,1 | 18,97 | 0,696 |
| 70 | 1,029 | 1,009 | 2,96 | 28,6 | 20,6 | 20,02 | 0,694 |
| 80 | 1,000 | 1,009 | 3,05 | 30,2 | 21,1 | 21,09 | 0,692 |
| 90 | 0,972 | 1,009 | 3,13 | 31,9 | 21,5 | 22,10 | 0,690 |
| 100 | 0,946 | 1,009 | 3,21 | 33,6 | 21,9 | 23,13 | 0,688 |
| 120 | 0,898 | 1,009 | 3,34 | 36,8 | 22,8 | 25,45 | 0,686 |
| 140 | 0,854 | 1,013 | 3,49 | 40,3 | 23,7 | 27,80 | 0,684 |
| 160 | 0,815 | 1,017 | 3,64 | 43,9 | 24,5 | 30,09 | 0,682 |
| 180 | 0,779 | 1,022 | 3,78 | 47,5 | 25,3 | 32,49 | 0,681 |
| 200 | 0,746 | 1,026 | 3,93 | 51,4 | 26,0 | 34,85 | 0,680 |
| 250 | 0,674 | 1,038 | 4,27 | 61,0 | 27,4 | 40,61 | 0,677 |
| 300 | 0,615 | 1,047 | 4,60 | 71,6 | 29,7 | 48,33 | 0,674 |
| 350 | 0,566 | 1,059 | 4,91 | 81,9 | 31,4 | 55,46 | 0,676 |
| 400 | 0,524 | 1,068 | 5,21 | 93,1 | 33,0 | 63,09 | 0,678 |
| 500 | 0,456 | 1,093 | 5,74 | 115,3 | 36,2 | 79,38 | 0,687 |
| 600 | 0,404 | 1,114 | 6,22 | 138,3 | 39,1 | 96,89 | 0,699 |
| 700 | 0,362 | 1,135 | 6,71 | 163,4 | 41,8 | 115,4 | 0,706 |
| 800 | 0,329 | 1,156 | 7,18 | 188,8 | 44,3 | 134,8 | 0,713 |
| 900 | 0,301 | 1,172 | 7,63 | 216,2 | 46,7 | 155,1 | 0,717 |
| 1000 | 0,277 | 1,185 | 8,07 | 245,9 | 49,0 | 177,1 | 0,719 |
| 1100 | 0,257 | 1,197 | 8,50 | 276,2 | 51,2 | 199,3 | 0,722 |
ρ — плотность, cp — удельная теплоёмкость, λ — теплопроводность, a — температуропроводность, μ и ν — динамическая и кинематическая вязкость, Pr — число Прандтля.
Свойства сухого воздуха в зависимости от температуры
| t, °C | Плотность, кг/м³ | Теплопроводность, Вт/(м·К) | ν, 10⁻⁶ м²/с |
|---|---|---|---|
| −20 | 1,395 | 0,0228 | 11,61 |
| 0 | 1,293 | 0,0244 | 13,28 |
| 20 | 1,205 | 0,0259 | 15,06 |
| 40 | 1,128 | 0,0276 | 16,96 |
| 60 | 1,060 | 0,0290 | 18,97 |
| 100 | 0,946 | 0,0321 | 23,13 |
Удельная теплоёмкость сухого воздуха в этом диапазоне почти постоянна: 1,005–1,009 кДж/(кг·К). Свойства влажного воздуха — в статье абсолютная и относительная влажность.
Теплоемкость воздуха: таблица и расчёт
Теплоемкость воздуха при постоянном давлении cp — 1,005 кДж/(кг·К) при 0–40 °C; именно её используют в расчётах вентиляции, кондиционирования и воздушного охлаждения. Теплоёмкость при постоянном объёме cv меньше на газовую постоянную воздуха: cv = cp − R = 1,005 − 0,287 = 0,718 кДж/(кг·К), их отношение k = 1,4 — показатель адиабаты.
| t, °C | cp, кДж/(кг·К) | Объёмная cp·ρ, кДж/(м³·К) |
|---|---|---|
| −20 | 1,005 | 1,402 |
| 0 | 1,005 | 1,299 |
| 20 | 1,005 | 1,211 |
| 40 | 1,005 | 1,134 |
| 100 | 1,009 | 0,953 |
| 200 | 1,026 | 0,765 |
| 300 | 1,047 | 0,644 |
Теплоемкость воздуха при 20 градусах
Теплоемкость воздуха при 20 градусах и атмосферном давлении — 1,005 кДж/(кг·К), или 1,21 кДж/(м³·К) на кубометр. В вентиляции удобнее последняя: на нагрев 1 м³/ч воздуха на 1 °C нужно 1,21 / 3,6 ≈ 0,336 Вт. Отсюда инженерная формула Q = 0,336 · L · Δt, где Q — мощность, Вт, L — расход воздуха, м³/ч, Δt — разница температур, °C. Формула учитывает только явное тепло: если воздух при охлаждении осушается, к ней добавляют тепло конденсации влаги, которое считают по энтальпии влажного воздуха.
Мощность на нагрев или охлаждение воздуха
Q = L / 3600 · ρ · cp · Δt; ρ = 101 325 / (287 · T) при температуре на входе, cp = 1,005 кДж/(кг·К). Только явное тепло сухого воздуха.
Вязкость воздуха от температуры
Вязкость воздуха, в отличие от вязкости жидкостей, с ростом температуры растёт: молекулы газа движутся быстрее и сильнее переносят импульс между слоями. Динамическая вязкость μ нужна для расчёта сопротивления воздуховодов и теплообменников, кинематическая ν = μ / ρ — для числа Рейнольдса.
| t, °C | μ, 10⁻⁶ Па·с | ν, 10⁻⁶ м²/с |
|---|---|---|
| −20 | 16,2 | 11,79 |
| 0 | 17,2 | 13,28 |
| 20 | 18,1 | 15,06 |
| 40 | 19,1 | 16,96 |
| 60 | 20,1 | 18,97 |
| 100 | 21,9 | 23,13 |
Плотность воздуха от температуры меняется обратно пропорционально абсолютной температуре: от −20 до +40 °C она падает с 1,395 до 1,128 кг/м³, почти на 20 %. Поэтому вентилятор, подобранный по объёмному расходу, зимой перемещает больше массы воздуха, чем летом, и воздушный конденсатор в жару работает хуже не только из-за высокой температуры, но и из-за меньшей плотности воздуха.
Частые вопросы
Какая кинематическая вязкость воздуха?
При 20 °C — около 15,1·10⁻⁶ м²/с, при 0 °C — 13,3·10⁻⁶ м²/с. С ростом температуры кинематическая вязкость воздуха растёт.
Какая теплоёмкость сухого воздуха?
Около 1,005 кДж/(кг·К) при постоянном давлении в диапазоне от −20 до +60 °C.
Какая плотность сухого воздуха?
1,293 кг/м³ при 0 °C и 1,205 кг/м³ при 20 °C при атмосферном давлении.
Какая теплоемкость воздуха при 20 градусах?
При постоянном давлении — 1,005 кДж/(кг·К), при постоянном объёме — 0,718 кДж/(кг·К). На кубометр это 1,21 кДж/(м³·К): чтобы нагреть 1 м³ воздуха на 1 °C, нужно 1,21 кДж.
Читайте также