水的密度和重度

概述

密度是质量与体积之比：

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

其中 $\rho$ 为密度，$m$ 为质量，$V$ 为体积。密度常用单位有 g/cm^3、kg/m^3、lb/ft^3 或 sl/ft^3。

纯水在 4 °C（39.2 °F） 时密度最大，约为 1000 kg/m^3 或 1.940 slug/ft^3。高于此温度后，水膨胀导致密度下降。

重度是重量与体积之比：

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

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

对于 SI 单位下 4 °C 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 °F 时水的密度约为 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

原始页面包含一个给定温度下液态水密度的计算器，并以 g/cm^3、kg/m^3、lb/ft^3、lb/gal(US liq) 和 sl/ft^3 报告密度。原始有效温度范围为 0-370 °C、32-700 °F、273-645 K 和 492-1160 °R。

下方计算器使用常压近似，适用于普通液态范围内的水。工程设计、100 °C 以上的饱和状态或高压工况，请使用表格数值。

变量

交互式密度图

原始页面包含三幅密度图：以 °C 为横轴的水密度图、以 °F 为横轴的水密度图，以及高压下水密度与温度的关系图。以下图表根据原始表格数值重建了这些图片的数据集，便于交互式查看曲线。

密度、重度和热膨胀系数（°C 表）

0-100 °C 的数值为 1 atm 下测得。100 °C 以上的数值为饱和压力下测得。

密度、重度和热膨胀系数（°F 表）

32-212 degF 范围内的数值对应 1 atm；高于 212 degF 的数值对应饱和压力。

1000 psi 下的密度和重度

原始表格给出了 1000 psi（68.1 atm） 下水的密度和重度。来源注明该压力下的沸点为 284.8 degC（544.58 degF）。

10000 psi 下的密度和重度

单位换算与示例

每美制加仑的重量基于 7.48 gal/ft^3。

一美制液体加仑等于：

• 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 的密度换算：

原始页面中的示例 2 换算 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 计算水箱中水的质量。体积为 10 m^3 的水箱装有 190 °F 的热水。由 °F 表可知，该温度下水的密度为 966.8 kg/m^3：

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

原始源图

以下原始来源图片予以保留，以免丢失可视化参考资料。当图片包含图表或表格数据时，其提取值已体现在页面表格、计算器或交互式图表中；其余图片作为可视化来源参考保留。

工程要点

• 密度-温度关系不是线性的，因此体积膨胀系数在整个温度范围内不是常数。
• 水在 4 °C 附近密度最大。这一异常现象在流体静力学、自然对流、防冻和储罐计算中很重要。
• 在正常沸点以上，1 atm 表格不再是常压下的液态水数据；原始来源在饱和压力下报告这些数值。
• 压力会增加液态水密度。压力图和高压表格显示了 1 atm（或饱和）、1000 psi 和 10000 psi 之间的差异。
• 在美制常用表中，标准重力下 lbm/ft^3 与 lbf/ft^3 数值相近，但密度和重度是不同物理量。

参考资料

• Engineering ToolBox - Water Density, Specific Weight and Thermal Expansion Coefficients
• Original image datasets restored as interactive charts from water_density_C.jpg, water_density_F.jpg and Water_density_temp_pressure_F.jpg.