Свойства воздуха — плотность, вязкость, теплоёмкость и теплопроводность

Обзор

Сухой воздух представляет собой смесь примерно 78 % азота, 21 % кислорода и 1 % аргона по объёму. Его термофизические свойства зависят от температуры и давления и являются необходимыми входными данными для проектирования систем вентиляции и кондиционирования, расчётов горения, пневматических систем и атмосферных исследований. На этой странице представлены основные значения свойств при стандартных условиях, компактные справочные таблицы и примеры типичных инженерных расчётов.

Свойства при стандартных условиях

Модуль упругости объёмного сжатия

В справочнике свойств воздуха указан Модуль упругости объёмного сжатия для воздуха. При стандартном атмосферном давлении он составляет приблизительно 1.01325×10^5 Па (101.325 кПа), что эквивалентно 14.7 psi.

Данные о фазовых переходах и критической точке

Критическая плотность в критической точке составляет 302.6 кг/м³.

Интерактивные точки фазовой диаграммы воздуха

Оригинальная фазовая диаграмма воздуха сохранена ниже. Её обозначенные контрольные точки также представлены здесь в виде структурированных данных, чтобы информация о фазовых переходах была доступна не только внутри растрового изображения.

Плотность в зависимости от температуры

Плотность уменьшается примерно линейно с ростом температуры в умеренных диапазонах, но истинная зависимость подчиняется закону идеального газа ($\rho \propto 1/T$).

Калькулятор — Плотность воздуха (Идеальный газ)

Калькулятор — Масса воздуха

Калькулятор — Динамическая и кинематическая вязкость

Значения исходной таблицы интерполированы для сухого воздуха при атмосферном давлении.

Калькулятор — Теплопроводность

Калькулятор — Удельная теплоёмкость и явное тепло

Калькулятор — Выталкивающая подъёмная сила

Восстановленные исходные таблицы

Следующие таблицы восстановлены из исходной страницы для сохранения полных справочных данных.

Сигналы исходного калькулятора

Кэшированная исходная страница содержит одну форму и 58 входных элементов, но эти сигналы поступают от общих элементов управления страницы Engineering ToolBox и виджетов поиска/макета, а не от 59 независимых калькуляторов свойств воздуха. Перенесённые функциональные эквиваленты для основных инженерных расчётов — это калькуляторы плотности, массы воздуха, динамической и кинематической вязкости, теплопроводности, явного тепла и подъёмной силы горячего воздуха, представленные выше.

Исходные изображения

Следующие исходные изображения сохранены, чтобы не потерять наглядный справочный материал. Если изображение содержит график или табличные данные, извлечённые значения представлены в таблицах страницы, калькуляторах или интерактивных графиках; остальные изображения сохранены как наглядные справочные источники.

Инженерные заметки

• Важен влажность. Приведённые выше значения относятся к сухому воздуху. Влажный воздух менее плотен при той же температуре и давлении, поскольку водяной пар ($M \approx 18$) легче смеси N₂/O₂, которую он вытесняет. Для точных расчётов HVAC и психрометрии используйте плотность с учётом влажности.
• Зависимость от давления. При умеренных давлениях (примерно 0,5–2 бар) воздух ведёт себя почти идеально. При высоких давлениях (например, в системах сжатого воздуха выше 10 бар) применяйте поправки на сжимаемость.
• Стандартные справочные состояния. Данные часто приводятся при 0 °C / 1 бар или при 15 °C / 1 атм (стандарт ISA). Всегда подтверждайте справочное состояние при сравнении значений из разных источников.
• Критическая точка. Выше 132.63 K и 3.786 МПа воздух не может быть сжижен только давлением; это важно для проектирования криогенных установок разделения воздуха.
• Тенденция вязкости. В отличие от жидкостей, вязкость газа увеличивается с температурой из-за большего переноса молекулярного импульса. Динамическая вязкость возрастает примерно с 17 мкПа·с при 0 °C до примерно 23 мкПа·с при 100 °C.
• Показатель адиабаты. Отношение $k = C_p/C_v \approx 1.40$ для сухого воздуха при стандартных условиях широко используется в расчётах изэнтропийного потока и сжатия.

Основные формулы

Плотность идеального газа

$\rho = \frac{p}{R\,T}$

где $p$ — абсолютное давление (Па), $R$ — удельная газовая постоянная для сухого воздуха ($287.058\;\text{Дж кг}^{-1}\text{К}^{-1}$), а $T$ — абсолютная температура (К).

Масса из плотности

$m = V\,\rho$

Сила плавучести (подъёмная сила)

$F_l = V\left(\rho_{\text{cool}} - \rho_{\text{hot}}\right)g$

Передача ощутимой теплоты

$Q = m\,C_p\,\Delta T$

Переменные

Источники

• Engineering ToolBox — Свойства воздуха
• Справочник CRC по химии и физике, стандартные термофизические таблицы
• ISO 2533:1975 — Стандартная атмосфера