Навигация по таблицам
- Таблица 1: Теплофизические свойства воздуха
- Таблица 2: Теплофизические свойства азота
- Таблица 3: Теплофизические свойства углекислого газа
- Таблица 4: Теплофизические свойства аргона
- Таблица 5: Сравнительные характеристики газов
Таблица 1: Теплофизические свойства воздуха при различных температурах
| Температура, °C | Плотность, кг/м³ | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Динамическая вязкость, мкПа·с | Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К) | Число Прандтля |
|---|---|---|---|---|---|
| -50 | 1.582 | 0.0204 | 14.6 | 1.013 | 0.728 |
| 0 | 1.293 | 0.0244 | 17.2 | 1.005 | 0.707 |
| 20 | 1.205 | 0.0257 | 18.1 | 1.005 | 0.703 |
| 50 | 1.093 | 0.0283 | 19.6 | 1.005 | 0.699 |
| 100 | 0.946 | 0.0321 | 21.9 | 1.009 | 0.688 |
| 200 | 0.746 | 0.0398 | 26.4 | 1.026 | 0.680 |
Таблица 2: Теплофизические свойства азота при различных условиях
| Температура, °C | Давление, атм | Плотность, кг/м³ | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Динамическая вязкость, мкПа·с | Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1.251 | 0.0240 | 16.6 | 1.040 |
| 20 | 1 | 1.165 | 0.0251 | 17.4 | 1.040 |
| 100 | 1 | 0.879 | 0.0293 | 20.8 | 1.042 |
| 200 | 1 | 0.696 | 0.0338 | 24.7 | 1.049 |
| 0 | 10 | 12.51 | 0.0240 | 16.6 | 1.040 |
| 20 | 50 | 58.25 | 0.0251 | 17.4 | 1.040 |
Таблица 3: Теплофизические свойства углекислого газа CO₂
| Температура, °C | Давление, атм | Плотность, кг/м³ | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Динамическая вязкость, мкПа·с | Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1.977 | 0.0146 | 13.8 | 0.849 |
| 20 | 1 | 1.842 | 0.0158 | 14.7 | 0.871 |
| 100 | 1 | 1.372 | 0.0208 | 18.5 | 0.980 |
| 200 | 1 | 1.087 | 0.0261 | 22.7 | 1.079 |
| 0 | 10 | 20.46 | 0.0146 | 13.8 | 0.849 |
| 20 | 60 | жидкость | 0.087 | 95.2 | 2.47 |
Таблица 4: Теплофизические свойства аргона при различных условиях
| Температура, °C | Давление, атм | Плотность, кг/м³ | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Динамическая вязкость, мкПа·с | Удельная теплоемкость, кДж/(кг·К) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1.784 | 0.0165 | 21.0 | 0.519 |
| 20 | 1 | 1.661 | 0.0172 | 22.1 | 0.519 |
| 100 | 1 | 1.237 | 0.0201 | 26.8 | 0.519 |
| 200 | 1 | 0.980 | 0.0232 | 32.1 | 0.519 |
| 600 | 1 | 0.423 | 0.0394 | 49.8 | 0.519 |
| -173 | 507 | 1430 | 0.0120 | 16.2 | 0.519 |
Таблица 5: Сравнительные характеристики технических газов при н.у.
| Параметр | Воздух | Азот (N₂) | Углекислый газ (CO₂) | Аргон (Ar) |
|---|---|---|---|---|
| Молекулярная масса, г/моль | 28.97 | 28.01 | 44.01 | 39.95 |
| Плотность при н.у., кг/м³ | 1.293 | 1.251 | 1.977 | 1.784 |
| Температура кипения, °C | -194.4 | -195.8 | -78.5 (сублимация) | -185.9 |
| Критическая температура, °C | -140.7 | -147 | 31.0 | -122.3 |
| Критическое давление, МПа | 3.77 | 3.39 | 7.38 | 4.86 |
| Теплопроводность при 20°C, Вт/(м·К) | 0.0257 | 0.0251 | 0.0158 | 0.0172 |
Оглавление статьи
- Введение в теплофизические свойства технических газов
- Основные теплофизические параметры газов
- Свойства воздуха как рабочего тела
- Характеристики азота в промышленных процессах
- Теплофизические особенности углекислого газа
- Свойства аргона и их практическое применение
- Влияние температуры и давления на свойства газов
- Практические расчеты и примеры применения
- Промышленное применение технических газов
- Часто задаваемые вопросы
Введение в теплофизические свойства технических газов
Теплофизические свойства технических газов играют ключевую роль в современной промышленности, энергетике и научных исследованиях. Понимание этих характеристик критически важно для проектирования эффективных технологических процессов, систем теплообмена и химических реакторов. Воздух, азот, углекислый газ и аргон представляют собой наиболее широко используемые технические газы, каждый из которых обладает уникальными свойствами, определяющими области их применения.
Теплофизические свойства газов существенно изменяются в зависимости от температуры и давления, что требует точного учета этих факторов при инженерных расчетах. Современные справочные данные, представленные в табличной форме, базируются на критически оцененных международных базах данных NIST REFPROP и актуальных российских стандартах 2025 года, что позволяет инженерам и исследователям быстро определять необходимые параметры для конкретных условий эксплуатации.
Основные теплофизические параметры газов
Теплофизические свойства газов характеризуются несколькими ключевыми параметрами, которые определяют их поведение в различных процессах теплообмена и массопереноса. Плотность газа является фундаментальной характеристикой, влияющей на все остальные свойства. При нормальных условиях плотность изменяется в широких пределах: от 1.251 кг/м³ для азота до 1.977 кг/м³ для углекислого газа.
ρ = ρ₀ × (P/P₀) × (T₀/T)
где ρ₀ - плотность при нормальных условиях, P - давление, T - температура
Теплопроводность определяет способность газа передавать тепло и варьируется от 0.0146 Вт/(м·К) для CO₂ до 0.0257 Вт/(м·К) для воздуха при комнатной температуре. Динамическая вязкость влияет на характер течения газа и изменяется с температурой по степенному закону. Удельная теплоемкость показывает количество энергии, необходимое для нагрева единицы массы газа на один градус.
Свойства воздуха как рабочего тела
Воздух представляет собой смесь газов, состоящую преимущественно из азота (78.09%) и кислорода (20.95%), с небольшими примесями аргона (0.93%) и углекислого газа (0.03%). Эта композиция определяет средние теплофизические свойства воздуха, которые широко используются в расчетах систем вентиляции, кондиционирования и теплообмена.
Теплопроводность воздуха увеличивается с ростом температуры практически линейно, что позволяет использовать простые аппроксимационные формулы для инженерных расчетов. Число Прандтля для воздуха остается относительно постоянным (около 0.7) в широком диапазоне температур, что упрощает расчеты конвективного теплообмена.
Характеристики азота в промышленных процессах
Азот является инертным газом, что делает его незаменимым в процессах, требующих создания защитной атмосферы. Его теплофизические свойства близки к свойствам воздуха, но несколько отличаются из-за отсутствия кислорода. Плотность азота при нормальных условиях составляет 1.251 кг/м³, что немного меньше плотности воздуха.
Критическая температура азота (-147°C) и давление (3.39 МПа) определяют границы его газообразного состояния. При температуре кипения -195.8°C азот переходит в жидкое состояние, что используется в криогенных технологиях. Жидкий азот обладает высокими хладопроизводительными характеристиками и широко применяется для сверхглубокого охлаждения.
Теплофизические особенности углекислого газа
Углекислый газ обладает уникальными теплофизическими свойствами, которые существенно отличают его от других технических газов. Его плотность при нормальных условиях составляет 1.977 кг/м³, что делает его самым тяжелым из рассматриваемых газов. Эта особенность используется в системах пожаротушения, где CO₂ вытесняет кислород и создает защитную атмосферу.
Критическая температура углекислого газа (+31°C) является самой высокой среди изучаемых газов, что позволяет получать жидкий CO₂ при относительно низких давлениях при комнатной температуре. При давлении свыше 6 МПа и температуре 20°C углекислый газ переходит в жидкое состояние, что используется для его компактного хранения и транспортировки.
При давлении 10 атм и температуре 0°C плотность CO₂ увеличивается до 20.46 кг/м³, что в 10 раз превышает значение при атмосферном давлении.
Свойства аргона и их практическое применение
Аргон является благородным инертным газом, который не образует химических соединений при обычных условиях. Его плотность при нормальных условиях составляет 1.784 кг/м³, что занимает промежуточное положение между азотом и углекислым газом. Температура кипения аргона (-185.9°C) близка к азоту, но несколько выше, что используется при разделении воздуха методом ректификации.
Теплопроводность аргона существенно увеличивается с температурой: от 0.0165 Вт/(м·К) при 0°C до 0.0394 Вт/(м·К) при 600°C. Это изменение составляет более чем двукратное увеличение, что необходимо учитывать при высокотемпературных процессах. Удельная теплоемкость аргона остается практически постоянной (0.519 кДж/(кг·К)) во всем диапазоне температур благодаря его одноатомной структуре.
Влияние температуры и давления на свойства газов
Температурные и барические зависимости теплофизических свойств газов следуют определенным закономерностям, которые важно понимать для практических применений. Плотность всех газов обратно пропорциональна температуре и прямо пропорциональна давлению, что описывается уравнением состояния идеального газа с поправками на реальность.
Теплопроводность газов увеличивается с температурой по степенному закону, причем показатель степени зависит от молекулярной структуры газа. Для одноатомных газов (аргон) зависимость более сильная, чем для двухатомных (азот, кислород). Динамическая вязкость также растет с температурой, что связано с увеличением интенсивности молекулярного движения.
μ = μ₀ × (T/T₀)^n
где n ≈ 0.7 для большинства газов, μ₀ - вязкость при эталонной температуре T₀
Практические расчеты и примеры применения
Практическое использование теплофизических свойств газов требует выполнения различных инженерных расчетов. Рассмотрим несколько типичных примеров, демонстрирующих важность точного знания свойств газов при различных условиях.
При проектировании теплообменников необходимо учитывать изменение всех теплофизических свойств в зависимости от температуры. Число Рейнольдса, определяющее режим течения, зависит от плотности и вязкости газа, которые существенно изменяются с температурой. Число Прандтля, характеризующее соотношение между переносом импульса и тепла, также варьируется для разных газов.
Для воздуха при температуре 100°C и скорости 10 м/с в трубе диаметром 0.1 м:
Re = ρVD/μ = 0.946 × 10 × 0.1 / (21.9 × 10⁻⁶) = 43,200
Режим течения - турбулентный
Промышленное применение технических газов
Знание теплофизических свойств технических газов критически важно для множества промышленных процессов. В металлургии аргон и азот используются как защитные атмосферы при плавке и сварке согласно требованиям ГОСТ 10157-2016, где их инертность предотвращает окисление металлов. Углекислый газ применяется в пищевой промышленности для создания модифицированной атмосферы, продлевающей срок хранения продуктов, в соответствии с ГОСТ 8050-85.
В энергетике воздух служит основным рабочим телом в газотурбинных установках, где точное знание его свойств при высоких температурах необходимо для расчета эффективности циклов. Жидкий азот используется в криогенных системах охлаждения высокотемпературных сверхпроводников и в процессах сжижения природного газа. Современные расчеты базируются на данных международных баз NIST REFPROP.
Часто задаваемые вопросы
Плотность газов обратно пропорциональна температуре при постоянном давлении. При повышении температуры от 0°C до 100°C плотность воздуха уменьшается примерно на 27%, азота - на 30%, CO₂ - на 31%, аргона - на 31%. Это связано с увеличением объема газа при нагревании согласно закону Гей-Люссака.
Теплопроводность газов увеличивается с температурой из-за усиления интенсивности молекулярного движения. При более высоких температурах молекулы движутся быстрее и чаще сталкиваются, что повышает эффективность переноса тепловой энергии. Для большинства газов теплопроводность изменяется пропорционально T^0.7-0.8.
Динамическая вязкость (μ) характеризует внутреннее трение в газе и измеряется в Па·с. Кинематическая вязкость (ν) равна отношению динамической вязкости к плотности: ν = μ/ρ и измеряется в м²/с. Кинематическая вязкость используется в расчетах течения газов, так как учитывает влияние плотности на характер движения.
Давление сильно влияет на плотность газов (прямо пропорционально) и слабо на другие свойства при умеренных давлениях. При высоких давлениях начинают проявляться отклонения от закона идеального газа, и все свойства требуют коррекции. Теплопроводность и вязкость практически не зависят от давления до 10-20 атм.
Выбор зависит от свариваемого материала: аргон универсален для большинства металлов, азот подходит для меди и аустенитных сталей, углекислый газ используется для углеродистых сталей. Аргон обеспечивает лучшую защиту благодаря инертности и оптимальной плотности, но дороже азота.
Углекислый газ имеет критическую температуру +31°C, что выше комнатной температуры. При давлении свыше 6 МПа (60 атм) и температуре 20°C CO₂ переходит в жидкое состояние. Это свойство используется для компактного хранения больших количеств углекислого газа в баллонах.
Число Рейнольдса рассчитывается по формуле Re = ρVD/μ, где ρ - плотность газа, V - скорость потока, D - характерный размер (диаметр трубы), μ - динамическая вязкость. При Re < 2300 течение ламинарное, при Re > 4000 - турбулентное. Все параметры должны соответствовать фактической температуре и давлению.
Действующие в 2025 году стандарты: ГОСТ 10157-2016 для аргона (заменил устаревший ГОСТ 10157-79), ГОСТ 8050-85 для углекислого газа (с изменениями), ГОСТ 949-2023 для стальных баллонов (заменил ГОСТ 949-73 с января 2025 года). Современные расчеты теплофизических свойств базируются на базе данных NIST REFPROP версии 10.0.
Наиболее точные современные данные содержатся в международной базе NIST REFPROP (National Institute of Standards and Technology), которая регулярно обновляется и содержит критически оцененные математические модели для расчета свойств чистых газов и смесей. Для российских стандартов используются актуальные ГОСТы серии 10157-2016, 8050-85, 949-2023.
