- •Введение. Методологические основы гидрофизики
- •1. Исторические основы и структура гидрофизики как науки
- •2. Системно-методологические основы и проблемы гидрофизики
- •1. Молекулярная физика воды в трех ее агрегатных состояниях
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Строение молекулы воды
- •1.3. Понятие о молекулярно-кинетической теории вещества и воды
- •1.4. Структура воды в трех ее агрегатных состояниях
- •Молекулярный состав льда, воды и водяного пара, %
- •2. Физические свойства воды, водяного пара, льда и снега
- •2.1. Физические свойства воды
- •Приравняв (2.22) и (2.23), получим
- •2.2. Физические свойства водяного пара в атмосфере
- •2.3. Лед и его физические свойства
- •3. Физико-механические и теплофизические свойства льда и шуги.
- •Значения предела прочности льда, Па
- •2.4. Физические свойства снега и снежного покрова
- •2.5. Физико-механические процессы, протекающие в снежном покрове
- •3. Основные положения теплообмена
- •3.1. Теплота. Температура. Температурное поле
- •3.2. Тепловой поток. Коэффициент теплопроводности
- •3.3. Теплопередача и теплоотдача
- •3.4. Количественная оценка конвективной теплоотдачи
- •3.5. Количественная оценка лучистого теплообмена
- •3.6. Количественная оценка теплоты при изменении агрегатного состояния вещества
- •3.7. Количественная оценка теплопередачи
- •3.8. Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •3.9. Дифференциальное уравнение теплопроводности с источником теплоты
- •3.10. Условия однозначности
- •3.11. Методы решения задач
- •3.12. Определение коэффициента теплопроводности
- •3.13. Определение коэффициента температуропроводности методом регулярного режима
- •3.14. Определение коэффициента температуропроводности по полевым наблюдениям
- •4. Стационарное температурное поле
- •4.1. Теплопроводность плоского тела
- •5. Гидротермический расчет водоемов и водотоков
- •5.1. Дифференциальное уравнение температурного поля турбулентного потока
- •5.2. Уравнение теплового баланса непроточного водоема
- •5.3. Годовой термический цикл водоемов
- •Периоды и фазы годового термического цикла (гтц) глубокого водоема
- •6. Конвективные течения в водоемах
3.6. Количественная оценка теплоты при изменении агрегатного состояния вещества
В природе встречаются среды, в которых при изменении их агрегатного состояния происходит либо поглощение теплоты, либо ее выделение. К таким средам, в первую очередь следует отнести воду, снег, пар, мерзлый грунт.
Так, например, процессы испарения воды, возгонки льда и снега, таяния снега, льда и мерзлого грунта сопровождаются поглощением теплоты, а обратные процессы — замерзание воды, конденсация и сублимация водяного пара — выделением теплоты. При переходе воды в пар поглощается теплота в количестве 2500 кДж/кг, а при обратном процессе — конденсации — выделяется такое же количество теплоты. При переходе воды в лед выделяется 334 кДж/кг, а при обратном процессе — плавлении льда — поглощается такое же количество теплоты.
В теории теплопередачи случай, когда происходит выделение теплоты рассматриваемой средой в окружающее ее пространство, принято называть источником, а случай, когда происходит поглощение теплоты этой среды из окружающего пространства,— стоком. Количество теплоты характеризуется интенсивностью тепловыделения или теплопоглощения и зависит от мощности источников и стоков.
Количественная оценка теплообмена при испарении воды. Количество теплоты, теряемой водой при ее испарении (теплоотдача в атмосферу) или приобретаемой при конденсации, в расчете на единицу площади поверхности, определяется по формуле
Qи = LиE, (3.22)
где Qи в Вт/м2, Lи — удельная теплота испарения (для практических целей в диапазоне температуры воды от 0 до 30°С ее принимают приблизительно равной 2500 кДж/кг.) (теплота конденсации) воды, — плотность воды, Е — слой испарившейся (сконденсировавшейся) воды в единицу времени, м/ч.
Количество теплоты, теряемое водой при испарении, определяемом, например, по формуле Б.Д.Зайкова, с использованием выражения (3.22) можно оценить следующим образом:
Qи = 4,1 (1 + 0,722)(e0 - e2), (3.23)
где 2 — скорость ветра на высоте 2 м над поверхностью воды, e0 — давление насыщенного водяного пара в воздухе при температуре испаряющей поверхности, e2 — парциальное давление водяного пара на высоте 2 м.
Количественная оценка теплообмена при замерзании воды. Количество теплоты, выделяемой объемом воды с единичной площадью поверхности в окружающую среду при ее замерзании или приобретаемой из окружающей среды при обратном процессе, т. е. плавлении льда и снега, определяется по формуле
Qкр = Lкрh, (3.24)
где Qкр в Вт/м2; Lкр — удельная теплота кристаллизации воды (удельная теплота плавления льда — Lпл); — плотность воды; h — слой кристаллизующейся воды в единицу времени, м/ч.
3.7. Количественная оценка теплопередачи
Для удельного теплового потока от воды к воздуху (передача теплоты) с учетом коэффициента теплопередачи K примет вид
q = K (tв - ), (3.25)
тогда общий поток через поверхность F
Q = KF (tв - ), (3.26)
Разность значений температуры tв в этой формуле называют температурным напором.
Из формулы (3.26) следует, что если необходимо увеличить теплоотдачу Q, то нужно уменьшить термическое сопротивление стенки и, наоборот, для уменьшения теплоотдачи — увеличить его.