Как определить объем воды в трубе: Расчет объема труб

Разное

Содержание

Как рассчитать объем воды внутри трубы и площадь поверхности — СамСтрой

Для проектирования водопровода или отопления требуется определения точного объёма воды, которое в единицу времени находится в трубах системы. Кроме того, например, для покраски труб, понадобится знать какая площадь их внешней поверхности. Поэтому будем разбираться, как определяется внутренний объем труб и их наружная площадь: какие для этого используются формулы и вычисления.

Для расчёта объема трубы замеряют её внутренний диаметр, а для площади – наружный

Как рассчитать внутренний объём трубы

Внутреннее пространство трубы – это цилиндр. Поэтому расчёт объёма трубы ведётся именно по формуле внутреннего объёма цилиндра:

V = πR²L, где:

  • π = 3,14;
  • R – внутренний радиус трубы, который, соответственно, можно заменить на D/2, то есть это половина диаметра;
  • L – длина трубы.

Изменённая формула будет такой:

V = πD²L/4

Труба – это металлопрофиль, то есть изделие стандартизированное. Соответственно у него есть стандартные величины, на основе которых продукция и выпускается. К размерным параметрам относятся:

  • внешний диаметр;
  • толщина стенки.

В выше обозначенной формуле используется внутренний диаметр. Найти его математическим путём несложно. Это внешний диаметр минус две толщины стенок. К примеру, если внешний стандартный диаметр трубы равен 32 мм, толщина стенки 2,5 мм, значит, внутренний будет равен: 32 – (2,5 х 2) = 27 мм.

На заметку! Эти формулы и расчёты применяются ко всем трубам, вне зависимости от того, из какого материала они изготовлены. То есть это могут быть пластиковые изделия, чугунные, стальные или из сплавов цветных металлов.

Формула объёма цилиндра и площади его стенки

И ещё один важный момент. Во всех формулах необходимо использовать одни и те же единицы измерения. И если диаметр и стенки измеряются по стандарту в миллиметрах, то длина в метрах. Поэтому стоит первые обязательно перевести во вторые. К примеру, если внутренний диаметр 27 мм, то в метрах это будет 0,027. В формулу надо вставлять число в метрах.

Сегодня необязательно проводить расчёты, потому что в свободном доступе есть таблицы, где объем установлен в соответствии с диаметром и толщиною стенки. На фото ниже показана таблица объёма воды в трубе с учётом этих показателей.

Таблица объёма трубы в зависимости от диаметра и толщины стенки

Как рассчитать наружную площадь поверхности трубы

Нередко строителям требуется определить площадь трубы, когда в их задачу входит покраска этого изделия. И в этом случае используется другая формула. Если труба – это цилиндр, то поверхность фигуры в развёртке – это прямоугольник, площадь которого определяется перемножением двух смежных сторон.

То есть одна сторона – это длина трубы. Вторая – это длина окружности, определяющая границу сечения трубного изделия. С первым все понятно. Что касается длины окружности, то и здесь есть стандартная формула:

L = 2πR или L = πD, где «D» – внешний диаметр.

После чего можно подсчитать площадь поверхности трубы перемножением её длины на полученное значение «L».

Как и с объёмом жидкости внутри трубных развязок, в свободном доступе в интернете есть калькуляторы площади труб под окраску. Удобная программа, в которую надо внести только диаметр и длину. Она сама все подсчитает.

Объем жидкости, находящейся внутри труб, можно подсчитать вручную, используя формулу объёма цилиндра. Или воспользоваться таблицей.

Объем определяется перемножением площади внутреннего круга на длину трубы.

Площадь наружной поверхности труб – это длина окружности, умноженная на длину трубы.

Сколько воды в пластиковой трубе таблица. Как рассчитать объем трубы – советы из практики

Добавить сайт в закладки

Во время строительства важна каждая мелочь, от последнего гвоздя и до диаметра каждой трубы в помещении.

Расчет диаметра трубы необходим, поскольку он значительно влияет на гидродинамику любой системы.

Тут ничего не делается просто так и все нужно четко просчитывать. Причем нередко, чтобы точно сделать расчет, нужно знать не только длину или ширину, но и площадь сечения, а также объем.

Расчеты объема

При расчете убедитесь, что используете значения радиуса и длины трубы, выраженные в одинаковых единицах измерения.

  1. Расчет диаметра. Для начала стоит уточнить, что есть 2 типа диаметров, внутренний и внешний, которые временами могут очень серьезно разниться. Внешний диаметр чаще всего и указывается в накладных, в любом другом случае его можно измерять при помощи обыкновенной линейки либо рулетки. Внутренний отличается ровно на 2 толщины стенки.
    Бывают ситуации, когда нет возможности воспользоваться измерительными приборами для измерения сечения, тогда на помощь приходит либо мягкий м, либо мягкая рулетка и измерение производится по кругу. После чего следует полученный результат разделить на число Пи, которое в данном случае будет равна 3.14159265 (такая подробность нужна для того, чтобы избежать каких-либо погрешностей).
  2. На этом этапе вычисляется радиус, т.к. именно он будет играть необходимую роль в вычислении. Для этого полученный ранее результат нужно поделить на 2.
  3. На предпоследнем этапе высчитывается площадь сечения трубы. Следует учитывать, что при вычислении площади итог получится в той же системе единиц измерения, что и радиус. Чтобы рассчитать площадь, следует воспользоваться формулой S=Пи*R2 (она же Пи*R*R). Таким образом, если радиус был указан в см, то площадь будет указана в кв. см
  4. В самом конце высчитывается объем трубы. Для этого потребуется перемножить площадь сечения на ее длину: V=S*L (L – длина). Таким способом можно рассчитывать объемы любых труб, вне зависимости от их диаметра, а если идет переход, то с момента перехода все следует перерассчитать.

Некоторое послесловие

В инженерных калькуляторах есть вариант запоминания функции, что дает возможность значительно упростить рабочую деятельность.

Расчёт объема жидкости в трубе – трудное и ответственное дело, которое у многих вызывает массу вопросов и проблем. Чаще всего таких расчётов требуют сложные системы отопления, где теплоносителем выступает жидкость, например, вам необходимо знать объём воды, чтобы правильно подобрать расширительный бачок, от подходящих параметров которого зависит прежде всего надёжность конструкции, поэтому в данной статье мы расскажем вам, как правильно рассчитать объем трубы и воды в ней.

Определяем объём трубы

Чтобы посчитать объем трубы, необходимо получить её параметры. Предлагаем начать с радиуса, который можно высчитать, разделив диаметр трубы пополам. Обычно диаметр указывается в характеристиках трубы, но вы также можете измерить его самостоятельно на срезе. Помните, что вам необходим внутренний диаметр, а не наружный.

Если диаметра вы не знаете, а измерить на срезе возможности нет, то можно воспользоваться другим методом, однако здесь вам потребуется толщина стенок трубы, узнать которую также бывает проблематично. Итак, возьмите гибкий метр и измерьте им длину окружности, после чего, разделите её на 2 Пи, что примерно равняется 6,28. Из полученного результата вычтите толщину стенки, умноженную на два. Так вы получите внутренний диаметр трубы.

Последним пунктом является длина трубы, с измерением которой не должно возникнуть проблем. Получив все необходимы данные, используйте формулу объёма трубы, умножив длину на площадь сечения. Помните, что при подсчёте и замере необходимо использовать одинаковые единицы измерения, например, миллиметры.

Расчёт объёма всей системы

Объём жидкости в трубе будет равен объёму самой трубы с небольшими погрешностями, однако рассчитать необходимое количество воды для всей, например, отопительной системы будет достаточно сложно, ведь она также состоит из других частей, например, труб другого диаметра, радиатора и котла.

Лучше всего начинать делать расчёты с более простых частей отопительной системы, объём которых указывается в паспорте. Так вы сможете без труда высчитать объём радиатора: умножьте объём одной секции, указанный в документации, на количество этих секций. Например, в чугунных радиаторах объём секции зачастую равен 1,5 л, а у биметаллических обогрев

Как посчитать пропускную способность трубы для разных систем – примеры и правила


Содержание:


Прокладка трубопровода – дело не очень сложное, но достаточно хлопотное. Одной из самых сложных проблем при этом является расчет пропускной способности трубы, которая напрямую влияет на эффективность и работоспособность конструкции. В данной статье речь пойдет о том, как рассчитывается пропускная способность трубы.  



Пропускная способность – это один из важнейших показателей любой трубы. Несмотря на это, в маркировке трубы этот показатель указывается редко, да и смысла в этом немного, ведь пропускная способность зависит не только от габаритов изделия, но и от конструкции трубопровода. Именно поэтому данный показатель приходится рассчитывать самостоятельно.

Способы расчета пропускной способности трубопровода


Перед тем, как посчитать пропускную способность трубы, нужно узнать основные обозначения, без которых проведение расчетов будет невозможным:

  1. Внешний диаметр. Данный показатель выражается в расстоянии от одной стороны наружной стенки до другой стороны. В расчетах этот параметр имеет обозначение Дн. Внешний диаметр труб всегда отображается в маркировке.
  2. Диаметр условного прохода. Это значение определяется как диаметр внутреннего сечения, который округляется до целых чисел. При расчете величина условного прохода отображается как Ду.



Расчет проходимости трубы может осуществляться по одному из методов, выбирать который необходимо в зависимости от конкретных условий прокладки трубопровода:

  1. Физические расчеты. В данном случае используется формула пропускной способности трубы, позволяющая учесть каждый показатель конструкции. На выборе формулы влияет тип и назначение трубопровода – например, для канализационных систем есть свой набор формул, как и для остальных видов конструкций.
  2. Табличные расчеты. Подобрать оптимальную величину проходимости можно при помощи таблицы с примерными значениями, которая чаще всего используется для обустройства разводки в квартире. Значения, указанные в таблице, довольно размыты, но это не мешает использовать их в расчетах. Единственный недостаток табличного метода заключается в том, что в нем рассчитывается пропускная способность трубы в зависимости от диаметра, но не учитываются изменения последнего вследствие отложений, поэтому для магистралей, подверженных возникновению наростов, такой расчет будет не лучшим выбором. Чтобы получить точные результаты, можно воспользоваться таблицей Шевелева, учитывающей практически все факторы, воздействующие на трубы. Такая таблица отлично подходит для монтажа магистралей на отдельных земельных участках.
  3. Расчет при помощи программ. Многие фирмы, специализирующиеся на прокладке трубопроводов, используют в своей деятельности компьютерные программы, позволяющие точно рассчитать не только пропускную способность труб, но и массу других показателей. Для самостоятельных расчетов можно воспользоваться онлайн-калькуляторами, которые, хоть и имеют несколько большую погрешность, доступны в бесплатном режиме. Хорошим вариантом большой условно-бесплатной программы является «TAScope», а на отечественном пространстве самой популярной является «Гидросистема», которая учитывает еще и нюансы монтажа трубопроводов в зависимости от региона.

Расчет пропускной способности газопроводов


Проектирование газопровода требует достаточно высокой точности – газ имеет очень большой коэффициент сжатия, из-за которого возможны утечки даже через микротрещины, не говоря уже о серьезных разрывах. Именно поэтому правильный расчет пропускной способности трубы, по которой будет транспортироваться газ, очень важен.


Если речь идет о транспортировке газа, то пропускная способность трубопроводов в зависимости от диаметра будет рассчитываться по следующей формуле:


Где р – величина рабочего давления в трубопроводе, к которой прибавляется 0,10 МПа;


Ду – величина условного прохода трубы.


Указанная выше формула расчета пропускной способности трубы по диаметру позволяет создать систему, которая будет работать в бытовых условиях.

Расчет потребления воды по сечению трубы. Упрощенные расчеты

Расчет потребления воды по сечению водопроводной трубы выступает в качестве отправного пункта в сложной системе гидродинамических вычислений. При постройке или реконструкции здания, при обустройстве системы пожаротушения крайне необходимо просчитать, сколько воды будет поступать на объект при известной величине давления в системе, если установить трубы определенного сечения.

При расчете расхода воды принимаются во внимание несколько факторов, одни из важнейших — это сечение подающей трубы и давление в системе

Какие факторы принимают в расчет, проводя вычисление расхода воды

Определение расхода воды по диаметру трубы позволяет получить данные, весьма приближенные к реальным, но далеко не всегда. На реальном расходе, помимо диаметра трубы, сказывается целый ряд факторов:

  • уровень давления. При более высоком давлении в системе трубопровода потребители будут получать больший объем воды. Расчет расхода воды по диаметру трубы и давлению позволяет получить более точные данные, чем при использовании только одного параметра. Опираясь на эти величины, определяется необходимая толщина стенки трубы;
  • напор воды в системе зависит от изменения диаметра труб, изгибов и поворотов, разветвлений, наличия запорной арматуры. Чем сложнее конфигурация водопровода, тем сложнее определить реальные показатели расхода воды через трубу при давлении, указанном согласно СНиП;
  • силой трения, препятствующей движению водного потока, при большей протяженности системы расход воды через трубу существенно снижается, так как падает скорость движения жидкости;
  • шероховатость внутренних стенок водопровода. Современные полимерные конструкции обладают примерно на десять процентов более высокой пропускной способностью, чем самые новые изделия из традиционных материалов – бетона, чугуна и стали;
  • при длительной эксплуатации внутреннюю поверхность трубопровода засоряют различные отложения. Изменение внутреннего рельефа вследствие засоренности вряд ли возможно просчитать с помощью математических формул. Так что, точно определить количество проходящей через трубу воды окажется невозможно. Новые полимерные материалы позволяют не принимать фактор постепенной закупорки системы в расчет, так как образование наростов на их внутренней поверхности практически исключается.

Расход воды будет зависеть конфигурации водопровода, а также типа труб, из которых смонтирована сеть

Так что, проводя расчеты давления воды в зависимости от диаметра трубы, не принимая во внимание другие факторы, сказывающиеся на реальном расходе жидкости, можно допустить существенные ошибки.

Методы расчета количества воды по сечению трубы

Пропускную способность трубопровода можно просчитать, используя несколько различных методик. Можно воспользоваться:

  • физическими методами расчета по специальным формулам, отличным при проведении вычислений для водопровода и канализации;
  • табличными методами расчета, приводящими приближенные значения, чего в большинстве случаев достаточно для принятия последующих решений. Для получения точных значений пользуются таблицами Шевелевых. В этих таблицах помимо внутреннего сечения учтен целый ряд других параметров, влияние которых сказывается на пропускной способности трубопровода;
  • специальными бесплатными онлайн-калькуляторами;
  • специальными компьютерными программами для расчета различных параметров, связанных с эксплуатацией трубопроводной системы. Крупные российские компании используют платную отечественную программу «Гидросистема». В интернете можно найти ссылки, позволяющие воспользоваться программой «TAScope», получившей широкое распространение во многих странах.

Расчет расхода воды по диаметру и другим параметрам

Как найти объем с помощью метода вытеснения воды

Наука учит мыслить нестандартно. Таким образом, в то время как другие могут использовать воду только для питья и купания, мы научимся использовать ее, чтобы определить объем объекта.

Даже Ворона его использует!

Помните старую басню Эзопа «Ворона и кувшин»? В нем ворона может поднимать уровень воды, бросая камни в кувшин. На самом деле это очень хорошее практическое применение метода вытеснения воды.

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Представьте себе мир, состоящий только из цилиндров, конусов, кубов и сфер. Как легко было бы применить математику в таком обычном и четко определенном месте, как это! Например, все, что вам нужно сделать, это запомнить набор из четырех формул, и вы легко сможете узнать объем чего угодно.Но прежде чем попросить создателя пересмотреть Его замысел, спросите себя, действительно ли вы хотели бы жить в таком месте?

Плавные изгибы и случайные края различных предметов вокруг нас — это именно то, что делает их такими красивыми. Мир со всеми его неровностями идеален таким, какой он есть. И чтобы жить здесь, нам не нужно жертвовать математикой, благодаря одному замечательному древнегреческому мыслителю и изобретателю Архимеду.

Среди множества замечательных изобретений Архимеда есть то, что сегодня известно как метод вытеснения воды.Его можно использовать для точного расчета объема любого объекта, независимо от его формы, и, что самое приятное, он также не требует каких-либо сложных математических вычислений. Это так же просто, как и гениально. В следующих разделах мы узнаем, как это работает. Но перед этим давайте сначала посмотрим, как великий Архимед пришел к этой идее.

История изобретения

Архимед жил в Сиракузах, Греция, более 2000 лет назад. Он был физиком, математиком, инженером и астрономом.Сказания о его мудрости и гении были хорошо известны по всей стране.

У короля Сиракуз была золотая корона, сделанная одним из лучших ювелиров в его королевстве. Сам король предоставил необходимое для этого чистое золото. Ювелир проделал прекрасную работу по изготовлению короны, но царь подозревал, что он фальсифицировал чистое золото серебром. Однако, поскольку в то время не было средств проверки чистоты металла, утверждение ювелира не могло быть проверено. Царь вызвал Архимеда и поручил ему проверить подлинность золотой короны, но не разрушить ее.

Это был настоящий вызов! Архимед работал много дней, испробовал все известные методы и применил все свои математические знания; однако он просто не мог придумать решения. Однажды, все еще борясь с проблемой, Архимед решил принять успокаивающую ванну, чтобы очистить голову. Он наполнил ванну водой и приготовил для него.

Когда Архимед вошел в полную ванну, он заметил, что из нее выплеснулось немного воды. Когда он погрузил в воду большую часть своего тела, вылилось еще больше воды.Он сразу понял, что нашел ответ на проблему короля.

Он был так взволнован, что спрыгнул с ванны и побежал по улице совершенно голый, крича «Эврика, Эврика !!!». Он представил свои результаты королю, используя которые, король смог доказать, что ювелир действительно обманул. ему, добавив серебра в корону.

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим…

Давайте работать вместе!

Сегодня метод Архимеда известен как метод вытеснения воды и широко используется благодаря своей простоте и точности.

Как работает метод

Так как же Архимед смог проверить изготовление короны, наблюдая за переливом воды из своей ванны?

Когда Архимед вошел в ванну и увидел, что вода в ней перелилась, он сразу понял, что между этими двумя событиями существует какая-то связь.Когда он погрузился глубже и увидел, что вода вышла через край, он сразу понял, что соотношение между его массой и массой переливающейся воды было прямым.

Он понял, что если корону полностью погрузить в воду и измерить точное количество воды, которая в результате переливается, то оно будет равно объему короны. Как только объем известен, можно рассчитать его плотность, которая равна его массе, деленной на его объем.

Плотность короны была бы ниже, чем у чистого золота, если бы к ней был добавлен более дешевый и менее плотный металл, такой как серебро. Таким образом, это была тщательная проверка, с помощью которой Архимед смог доказать фальшивость ювелира.

Метод вытеснения воды можно использовать для точного определения объема объекта любой формы. По сути, он основан на том факте, что для всех практических целей вода несжимаема. Поэтому, когда объект попадает в воду, находящуюся в контейнере, вода вытесняется, чтобы освободить для него место. Таким образом, при полном погружении объект вытесняет объем воды, который точно равен его собственному объему.

Плавучесть: При падении в воду некоторые предметы имеют тенденцию тонуть, а другие плавать. Архимед понял причину этого и сформулировал принцип, объясняющий это, известный сегодня как принцип Архимеда.

Принцип Архимеда: Любой объект, полностью или частично погруженный в жидкость, поднимается вверх с силой, равной весу жидкости, которую этот объект вытесняет.

Таким образом, если объект вытесняет большую массу жидкости, он будет плавать, в противном случае он утонет. Большие корабли, хотя и очень тяжелые, могут плавать, поскольку вытесняют несколько тонн воды. С другой стороны, маленький камень намного легче по весу. Однако он все равно тонет, потому что способен вытеснить лишь небольшой вес воды.

Как найти том

Метод вытеснения воды Архимеда — один из самых удобных и простых методов измерения объема объекта неправильной формы. И вам не нужна ванна, чтобы он работал! Как вы увидите, вы можете практически применить этот метод с помощью всего лишь небольшого количества базового оборудования, выполнив следующие шаги.

Требования:

  1. Необычный объект.
  2. Градуированная цилиндрическая мерная колба, достаточно большая, чтобы в нее поместился объект.
  3. Блокнот и калькулятор.

Примечание. Показания мерной колбы указаны в мл.

Процедура:

  1. Заполните мерную колбу достаточным количеством воды. Основная идея здесь в том, чтобы не заливать его выше самой верхней отметки. Хороший способ обеспечить это — наполнить фляжку только наполовину, оставив достаточно отметок над уровнем воды.
  2. Как только вода уляжется, прочтите отметку внизу мениска, то есть изогнутую линию уровня воды. Это начальный объем воды внутри мерной колбы. Запишите его как «Vol1». В нашем примере начальный уровень воды составляет 13,33 мл. Таким образом, Vol1 = 13,33 мл .
  3. Теперь возьмите необычный предмет, объем которого вы хотите измерить, и осторожно опустите его в колбу.Подождите, пока вода осядет, и обратите внимание на отметку, соответствующую поднявшемуся уровню воды. Это объем воды плюс объем объекта «Vol2». В нашем примере Vol2 = 30 мл .
  4. Теперь используйте следующую формулу для вычисления объема объекта.

Объем (объект) = Объем (вода + объект) — Объем (вода)

Объем (объект) = Объем 2 — Объем 1

Объем (объект) = (30 — 13. 33)

Объем (объект) = 16,66 мл.

После того, как вы поняли шаги, показанные выше, попробуйте решить примеры, чтобы лучше понять метод вытеснения воды для расчета объема.

Примечание. Размеры мерной колбы указаны в мл.

Пример 1

Пример 2

Пример 3

Как найти плотность

Архимед смог рассчитать плотность короны с помощью метода вытеснения воды.Мы тоже можем рассчитать плотность любого объекта неправильной формы, используя шаги, указанные ниже.

1) Найдите объем объекта, как описано в предыдущем разделе.

2) Используйте весы, чтобы найти массу объекта. Теперь, исходя из определения плотности, мы приходим к следующему уравнению, которое можно использовать для расчета плотности объекта:

Плотность = Масса ÷ Объем

Например, если расчетный объем объекта равен 4 мл. и его масса 8 гм, то его плотность будет (8 ÷ 4) = 2 г / мл

Таким образом, Архимед более 2000 лет назад придумал метод вытеснения воды, который можно было использовать для определения объема неправильного объекта.Изобретение этого метода было большим достижением в то время, и благодаря своей простоте и высокой точности он до сих пор актуален.

Отклонения профиля скорости влияют на производительность расходомера по Cole-Parmer

Отклонения профиля скорости
влияют на производительность расходомера

Выбор правильного расходомера для жидкости

Автор Corte Swearingen
Перепечатано из журнала «Химическая обработка» Newtonian Velocitymeter Profiles Non-Newtonian Fluids
Характеристики и искажения профиля потока
Оценка условий потока в трубе Кондиционеры потока
Заключение и рекомендации Ссылки

Закройте глаза и представьте себе мир, в котором все текучие среды, текущие по трубам, являются идеально однородными, не имеющими возмущений или завихрений в потоке потока. Мир, в котором трубы всегда содержат полностью развитый турбулентный поток, а изгибов и препятствий в трубопроводах не существует.

Звучит глупо, правда? Но это гипотетические условия, на которых основана точность расходомера. Если существуют отклонения от этих условий, точность и / или повторяемость ухудшатся. В этой статье будет обсуждаться первая из четырех основных влияющих величин, которые влияют на точность и производительность расходомера: отклонения профиля скорости, неоднородный поток, пульсирующий поток и кавитация.На этом фоне мы посмотрим, как эти влияющие величины влияют на производительность расходомера и что можно сделать, чтобы минимизировать их влияние.

Представьте себе горизонтальную трубу в нескольких футах перед вами примерно на уровне глаз. Если сделать вертикальный разрез в центре трубы, чтобы удалить переднюю половину трубы, можно было бы легко увидеть, как развивается поток жидкости с «приятным поведением».

Рис. 1. Нулевая вязкость жидкости
В показанной здесь гипотетической ситуации вязкость жидкости равна нулю, а профиль скорости представляет собой прямую линию.Вертикальный слой жидкости движется вперед со скоростью V.

Вид в разрезе, показанный на рисунке 1, иллюстрирует гипотетическую ситуацию, в которой жидкость имеет нулевую вязкость. В этом примере градиент скорости постоянный и одинаковый по всему поперечному сечению. То есть скорость жидкости у стенок трубы равна скорости жидкости в центре трубы и во всех точках между ними. Однако каждая жидкость имеет некоторую степень вязкости; следовательно, профиль скорости искажается по сравнению с этим «идеальным сценарием».»


Примеры ньютоновских жидкостей включают воду, молоко, растворы сахара и минеральные масла. В гомогенных ньютоновских жидкостях могут возникать искажения по ряду причин. Вязкость ньютоновской жидкости зависит только от температуры, но не от скорость и время сдвига. Поток ньютоновской жидкости будет проявлять эффект «прилипания» к стенкам трубы. Фактически, граничные условия, наложенные на неподвижную стенку трубы, требуют, чтобы жидкость, непосредственно контактирующая со стенками трубы, имела нулевой скорость (или, по крайней мере, это то, что предполагается в расчетах в этой статье).Именно это граничное условие искажает профиль скорости ньютоновской жидкости.

Если вектор скорости на стенке трубы равен нулю, максимальная скорость, возникающая в трубе, может быть вычислена математически.

Рис. 2: Образец профиля скорости ньютоновской жидкости
Для установившегося потока в трубе радиуса «R», содержащей меньший цилиндрический элемент радиуса «r» жидкости, возникает сила сдвига, равная и противоположная цилиндрический водяной элемент напорный.

Рассмотрим трубу радиуса «R», содержащую меньший цилиндрический элемент жидкости радиуса «r». См. Рисунок 2.

Предполагая, что цилиндрический элемент жидкости движется равномерно по трубе с постоянной скоростью, сила сдвига на стенке трубы равна силе давления жидкости, движущейся через него. Сила сдвига, которая прямо пропорциональна градиенту скорости, определяется по формуле:

τ = μ (dv / dy)

где:
τ — поперечная сила или поперечное давление.
dv / dy — градиент скорости (где y — расстояние от стенки трубы).
μ — константа пропорциональности, также называемая динамической вязкостью.

Поскольку давление жидкости можно просто задать как разность давлений в трубе, умноженную на площадь поперечного сечения жидкости, и поскольку сила давления жидкости равна противоположно направленной поперечной силе на стенке трубы, уравнение можно записать:

Сила сдвига стенки = τ (2πr) L = 2πrLμ (dv / dy) = ΔPA = ΔPπr 2 = Давление жидкости

где:
r — радиус цилиндрического элемента жидкости.
L — длина цилиндрического жидкостного элемента.
ΔP — перепад давления в трубе.
A — площадь поперечного сечения жидкостного элемента

Решая для τ, мы получаем

τ = ΔPr / 2L

В этом примере более удобно задать силу сдвига как функцию центр трубы вместо стенки трубы. Это легко сделать, переписав силу сдвига как:

τ = -μ (dv / dr) = μ (dv / dy)

Приравнивание этих двух выражений для напряжения сдвига τ дает нам следующее соотношение:

ΔPr / 2L = -μ (dv / dr)

Решение для градиента скорости дает:

dv / dr = -ΔPr / 2μL

Интегрируя это выражение по трубе до радиуса R, скорость (V) как функция радиуса r может быть определена.

V = ΔP / 4 мкл (R 2 — r 2 )

Теперь математически можно увидеть, что максимальная скорость в трубе происходит в центре трубы, или когда r = 0. Фактически эти два факта — то, что скорость у стенки трубы равна нулю, а максимальная скорость имеет место в центре трубы — являются граничными условиями, используемыми для определения константы пропорциональности для вышеуказанного интегрирования.

Это уравнение имеет форму параболы. График показывает профиль скорости, показанный на рисунке 3.

Рисунок 3: Ламинарный профиль потока для ньютоновской жидкости
Скорость равна нулю на стенке трубы и параболически увеличивается с потоком, достигая максимума в центре трубы.

Этот профиль развивается с определенными скоростями для ньютоновских жидкостей и называется ламинарным потоком. Ламинарный поток характеризуется движением жидкости слоями или линиями тока с очень незначительным перемешиванием между этими слоями. Слои жидкости удерживаются от смешивания за счет сил вязкости внутри жидкости.

Ламинарный поток очень хорошо предсказуем. Однако по мере того, как скорость жидкости в трубе увеличивается, силы инерции начинают преодолевать силы вязкости, и образуются небольшие водовороты и колебания жидкости, вызывающие перемешивание слоев жидкости.

Некоторое время жидкость может становиться ламинарной, но водовороты продолжают работать, перемешивая слои жидкости. Это частичное перемешивание обтекаемых слоев известно как переходный поток.

Переходный поток — это не совсем ламинарный поток, но и полностью турбулентный поток.Фактически, жидкость может иметь ламинарный поток на некоторых радиусах трубы и турбулентный поток на других радиусах. Если бы в трубу впрыснули струю красителя, она бы колебалась и слегка перемешивалась по мере продвижения вниз по трубе. Профиль скорости переходного потока трудно предсказать, поскольку он изменяется со временем, в некоторых случаях он является ламинарным, а в других — турбулентным.

По мере дальнейшего увеличения скорости жидкости в трубе развивается полностью турбулентный поток. Турбулентный поток характеризуется тем, что потоки ламинарного потока полностью разделяются и смешиваются, когда поток движется по трубе.Хотя средний поток по-прежнему движется по трубе, также будут небольшие скорости потока в радиальном направлении r. По мере того, как в потоке жидкости образуются водовороты, они беспорядочно распадаются на более мелкие водовороты, завихрения и вихри, что приводит к увеличению сдвига внутри жидкости.

Есть ли способ предсказать, когда каждый из этих режимов — ламинарный, переходный и турбулентный поток — будет преобладать в потоке жидкости? Ответ, конечно, положительный. Число Рейнольдса помогает определить, какой тип потока можно ожидать.Число Рейнольдса, названное в честь исследования динамики жидкости Осборна Рейнольдса, представляет собой просто отношение количества движения к силам вязкости. Он учитывает плотность, вязкость и скорость жидкости в трубопроводе. Если вязкие силы велики (низкое число Рейнольдса), вязкие эффекты жидкости будут гасить любую тенденцию к перемешиванию потоков. Для больших сил инерции не будет достаточного вязкого демпфирования для продолжения ламинарного потока, и поток станет переходным или турбулентным. Уравнение для числа Рейнольдса:

R = vDρ / μ

где:
v — средняя скорость.
D — диаметр трубы.
ρ — плотность.
μ — динамическая вязкость.

Используя единицы СИ, становится очевидно, что число Рейнольдса безразмерно. Единицы vDρ — (метры / сек) x (метры) x (кг / метры 3 ), а единицы μ — (кг / метры x сек). Основное правило гласит, что ниже 2000 R поток будет ламинарным. Между 2000 и 4000 рандов поток является переходным; выше 4000 поток турбулентный.На самом деле четких разрывов между ламинарным, переходным и турбулентным потоками нет. Например, в зависимости от текучей среды полностью развитый переходный поток может не возникнуть, пока R не станет примерно 7000.

Итак, каков профиль скорости турбулентного потока? Это сложный вопрос, поскольку профиль не имеет фиксированной геометрии. Оно меняется в зависимости от шероховатости стены и числа Рейнольдса. Уравнение скорости для однородного ньютоновского потока в турбулентном режиме (см. Рисунок 4):

V r = V av [1 1. 44√f 2,15√f log 10 (1-r / R)]

где:
V r — скорость на радиусе r.
V av — средняя скорость потока.
R — радиус трубы.
f — коэффициент трения.

Коэффициент трения трудно рассчитать, поскольку турбулентный поток непредсказуем, но существует множество экспериментальных данных по этому вопросу. Коэффициент трения играет важную роль, когда стенка трубы неровная.Для грубых внутренних поверхностей трубы жидкость ближе к стенкам сдерживается из-за дополнительного сдвига. Это, в свою очередь, приводит к тому, что профиль скорости становится более плоским и тупым спереди.

Рис. 4. Профиль турбулентного потока для ньютоновской жидкости
Скорость на стенке трубы равна нулю, но скорость в забое более прямая и квадратная.

Одним из широко используемых методов определения коэффициента трения является диаграмма Муди. Ссылки на диаграммы Муди включены в библиографию.

Уравнение скорости показывает, что максимальный поток будет происходить при r = 0, как и в случае ламинарного потока. При r = 0 уравнение принимает следующий вид:

V max = V av (1 1.43√f)

На рисунке 4 показано, что скорость забоя более однородна и возведена в квадрат. По мере того как скорость жидкости продолжает увеличиваться, скорость на поверхности будет продолжать выравниваться до тех пор, пока все частицы не начнут двигаться с одинаковой скоростью (за исключением стенок трубы, где поток останется равным нулю).Эта гипотетическая ситуация, когда скорость забоя является полностью плоской, известна как профиль с бесконечным числом Рейнольдса или поршневой поток.


Как изменяется профиль скорости, когда отношение напряжения сдвига к деформации сдвига больше не является постоянным? Прежде чем пытаться ответить на этот вопрос, полезно обрисовать различные типы неньютоновских жидкостей.

Класс I: неньютоновские жидкости, не зависящие от времени. Эти жидкости имеют вязкость при заданном напряжении сдвига, которая не меняется со временем.Неньютоновские жидкости класса 1 включают псевдопластические, дилатантные и пластические жидкости.

Псевдопластические жидкости, также известные как жидкости, разжижающие сдвиг, уменьшают вязкость при увеличении скорости сдвига. Примеры включают краски, шампуни и водные суспензии глины.

Дилатантные жидкости, также известные как жидкости, загущающие сдвиг, увеличивают вязкость при увеличении скорости сдвига. Примеры включают кукурузный крахмал в воде, диоксид титана и влажный песок.

Пластмассовые жидкости, также называемые жидкостями Бингема или поршневыми жидкостями, ведут себя как твердые тела до тех пор, пока не будет достигнута критическая скорость сдвига, называемая значением текучести.При достижении значения текучести жидкость начнет течь. По мере того как скорость сдвига продолжает расти, жидкость может проявлять ньютоновские, дилатентные или псевдопластические характеристики. Примеры включают томатную пасту, зубную пасту, крем для рук, шоколад, майонез и жир.

Класс II: неньютоновские жидкости, зависящие от времени. Эти жидкости имеют вязкость при заданном напряжении сдвига, которое будет меняться со временем. К ним относятся тиксотропные и реопектические жидкости.

Тиксотропные жидкости, также известные как жидкости, разжижающие во времени, со временем снижают вязкость, пока скорость сдвига остается постоянной.Примеры включают йогурт и краски.

Реопектические жидкости, также называемые загущающимися жидкостями, демонстрируют увеличение вязкости с течением времени, поскольку сдвиг остается постоянным. Реопектические жидкости встречаются довольно редко. Примеры включают гипсовую пасту и чернила для принтеров.

Что делает поток неньютоновских жидкостей таким интересным, так это обязательное граничное условие нулевого потока на стенках трубы. Это граничное условие придает жидкости переменную скорость сдвига по мере изменения скорости жидкости. А поскольку неньютоновская жидкость демонстрирует изменяющуюся вязкость при изменении скорости сдвига, жидкость может реагировать самыми разными способами. Как и ньютоновские жидкости, неньютоновские жидкости имеют ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения.

Для неньютоновских жидкостей, не зависящих от времени, вязкость жидкости не изменяется со временем, предполагая, что скорость сдвига не меняется. Когда жидкость движется по трубе, распределение скоростей между слоями жидкости меняется и изменяется с изменяющимся сдвигом, который является результатом граничного условия нулевой скорости на стенках трубы.

Еще одним важным условием является кажущаяся вязкость жидкости. Поскольку вязкость жидкости изменяется в зависимости от скорости сдвига, кажущуюся вязкость — вязкость при определенной скорости сдвига — необходимо использовать для расчета профиля потока вместо динамической или абсолютной вязкости, обсуждаемой для ньютоновских жидкостей. Это делает невозможным полное и правильное предсказание профиля скорости.

Рис. 5. Неньютоновские профили ламинарного потока, не зависящие от времени.
Показаны профили псевдопластических, дилатантных и пластичных жидкостей над профилем ньютоновской жидкости.

Однако профиль скорости все еще имеет некоторую внутреннюю симметрию. Для области ламинарного потока профиль скорости рассчитывается как отклонение или отклонение от ламинарного ньютоновского профиля. На рис. 5 показаны типичные профили скорости псевдопластических, дилатантных и пластических жидкостей по профилю ньютоновской жидкости, выявляющие искажения, которые могут возникать для ламинарных течений, не зависящих от времени, неньютоновских.

Лицевой профиль пластиковой жидкости очень плоский.Вся плоская поверхность известна как диаметр пробки и может сильно различаться в зависимости от типа пластической жидкости, движущейся по трубе, а также от давления на входе. Помните, что пластичные жидкости будут вести себя как твердые тела, пока напряжение сдвига не достигнет критического значения текучести. Затем они начнут течь.

Неньютоновские жидкости можно охарактеризовать числом Рейнольдса, посредством которого они будут перемещаться от ламинарных к переходным и турбулентным потокам. Однако это число Рейнольдса рассчитывается по-разному для псевдопластических, дилатантных и пластических жидкостей.Для полностью развитого турбулентного потока профили потока достаточно похожи на ньютоновские жидкости, что можно использовать уравнение ньютоновского числа Рейнольдса, если вместо динамической вязкости подставить кажущуюся вязкость.

Тиксотропные жидкости могут испытывать некоторые интересные эффекты в зависимости от того, увеличивается ли сдвиг, уменьшается или остается постоянным. Тиксотропная жидкость, скорость сдвига которой увеличивается до постоянного значения, задерживается на этом значении в течение некоторого времени, прежде чем снова снижаться до нулевого значения сдвига, может испытывать уменьшение кажущейся вязкости в течение времени выдержки. Когда скорость сдвига снижается до нуля, можно достичь значения текучести, которое имитирует эффекты пластической жидкости. Профиль потока изменится с параболического на поршневой. Конечно, такой сценарий конвейера встречается крайне редко.

Поскольку реопектические жидкости увеличивают кажущуюся вязкость со временем при постоянном сдвиге, их иногда называют отрицательными тиксотропными жидкостями. Реопектические жидкости будут демонстрировать кривую гистерезиса того же типа, что и тиксотропные жидкости, но обычно возвращаются к той же начальной вязкости, как только скорость сдвига падает до нуля.Подобно тиксотропным флюидам, реопектические флюиды, движущиеся по трубе, обычно находятся в ламинарном режиме и, как правило, демонстрируют параболические кривые от нормали до слегка искаженных, которые уже обсуждались, если предположить, что у потока было достаточно времени, чтобы полностью развиться через прямой участок трубы.

Превосходное и более глубокое обсуждение профилей расхода и того, как они развиваются в потоке труб, можно найти в Руководстве по измерению и проектированию расхода, написанном Ричардом Миллером (№ 00545-08).


В каждом случае, рассмотренном ранее, поток проходит через длинный прямой участок трубопровода, и профиль скорости успел развиться и стабилизироваться по мере его движения вниз по трубе.Эта стабилизация и развитие профиля скорости называется полностью развитым потоком. Хотя он отлично подходит для расчетов гидродинамики, в реальном мире трубы подвергаются изгибам, поворотам, уменьшению и расширению, когда они проходят через типичный завод. Что происходит с этими профилями скорости при некоторых из этих условий и как профили скорости влияют на размещение расходомера и его характеристики?

В общем, поскольку профиль потока гладкий и плоский на большей части диаметра трубы, турбулентный поток предпочтительнее для расходомера ламинарного и переходного потоков.Гораздо проще откалибровать и проверить повторяемость расходомера с использованием полностью разработанного профиля турбулентного потока, чем с использованием параболического профиля потока ламинарного потока или нестабильного профиля потока переходного потока.

Это не значит, что ламинарный поток плох для расходомеров. Фактически, стабильный ламинарный поток довольно легко точно измерить при условии использования соответствующей технологии.

Первым шагом в выборе конкретной технологии потока является определение допустимого диапазона чисел Рейнольдса, а затем вычисление крайних значений Рейнольдса для приложения.Минимальное число Рейнольдса рассчитывается с использованием минимального ожидаемого расхода и плотности жидкости и максимальной ожидаемой вязкости. Максимальное число Рейнольдса рассчитывается с использованием максимального ожидаемого расхода и плотности жидкости, а также минимальной ожидаемой вязкости.

Другой способ оценки условий приложения потока — использование доплеровских технологий или технологий потока времени прохождения.

Расходомеры с крыльчаткой: В них используется небольшой ротор, обычно с четырьмя лопастями, встроенными в магниты.Лопатка вставляется в трубу на фиксированной глубине; скорость, с которой он вращается, пропорциональна расходу.

Одним из преимуществ лопастного счетчика является то, что он может работать с трубами большого диапазона диаметров. Обычно датчик с лопастным колесом может быть установлен в пластиковых или металлических трубах от 1/2 дюйма (дюйма) до 36 дюймов или больше. Само крыльчатое колесо имеет диаметр всего дюйм или около того, поэтому, если оно установлено в большой трубе, у него возникнут проблемы с измерением ламинарного потока (см. Рисунок 6).

Рисунок 6: Пример установки лопастного расходомера
Хотя их можно использовать в приложениях со стабильным ламинарным потоком для считывания максимального или среднего расхода, лопастные расходомеры более точны при использовании с полностью развитым турбулентным потоком .

Доступны датчики регулируемой глубины погружения для обеспечения точного позиционирования лопастного колеса в трубе, но они имеют ограниченное значение при ламинарном потоке и предполагают, что соотношение между измеренной скоростью и средней скоростью жидкости является стабильным, что не всегда так. Если вводимый датчик должен использоваться в приложении с ламинарным потоком, операторы установки должны попытаться найти точку, в которой скорость жидкости соотносится со средней скоростью на однозначной основе. Эта точка будет примерно на одной восьмой диаметра трубы от внутренней стенки трубы и не должна зависеть от числа Рейнольдса.

Для труб меньшего диаметра, порядка нескольких дюймов, это меньшая проблема, и вставка по средней линии может быть лучшим вариантом. Однако для 20-дюймовой трубы градиент профиля потока может быть слишком резким, чтобы обеспечить точное или последовательное измерение путем соотнесения определенной скорости внутри трубы со средней скоростью в трубе.Точно так же для переходного потока, поскольку профиль потока нестабилен, конструкция лопастного колеса не дает точных или повторяемых результатов. Поскольку профиль турбулентного потока притуплен, плоский и стабильный (если у него было время для полной стабилизации при движении по трубе), это лучший профиль при использовании датчика с крыльчаткой. Фактически, производители будут откалибровать свои лопастные датчики для полностью развитого турбулентного потока в своем контуре калибровки потока; поэтому производители крыльчатых колес предъявляют очень специфические требования к прямым трубопроводам до и после.

Расходомеры с конусом Вентури для измерения перепада давления: Эти расходомеры по дизайну значительно отличаются от расходомеров с крыльчатым колесом. В конусе Вентури, или сокращенно V-образном конусе, разработанном в начале 1980-х годов, используется конус, расположенный в центре трубы. Геометрия и расположение конуса заставляют жидкость перемещаться вокруг конуса, создавая перепад давления по всей длине конуса. См. Рисунок 7. Это падение давления пропорционально скорости потока внутри трубы.

Рисунок 7: Пример установки расходомера с конусом Вентури
В этой установке подвесной конус изменяет форму профиля приближающегося потока выше по потоку.

Конус всегда подвешен в центре трубы, поэтому при ламинарном потоке максимальный поток жидкости направляется в «точку» конуса. Это эффективно заставляет высокоскоростную часть потока ламинарного потока смешиваться со слоями с более низкой скоростью, заставляя профиль потока выше по потоку смешиваться и сглаживаться в более развитую турбулентную структуру.

Способность V-образного конуса сглаживать профили нерегулярного потока довольно сильна и даже позволяет устанавливать расходомер с V-образным конусом достаточно близко к коленам и изгибам труб, чего обычно избегают с другими технологиями потока.Счетчик действует как собственный стабилизатор потока, формируя нерегулярные или ламинарные профили потока в более стабильные профили потока, подобные турбулентным. Это позволяет использовать технологию в широком диапазоне чисел Рейнольдса.

Турбинные расходомеры: В этих расходомерах используется вращающаяся турбина, размещенная непосредственно на пути прохождения жидкости. Хотя конструкции различаются, импульсный сигнал обычно генерируется, когда лопатки турбины проходят через магнитную приемную катушку. Частота импульсов пропорциональна скорости жидкости в трубе.Для ламинарных и переходных режимов потока (т.е. имеющих низкие числа Рейнольдса) количество импульсов на единицу объема, K-фактор, может изменяться, что приводит к потере точности и повторяемости. По этой причине турбинные расходомеры лучше всего использовать в условиях турбулентного потока. Многие производители турбин встраивают выпрямители потока непосредственно в корпус расходомера, чтобы свести к минимуму любые завихрения на входе, возникающие из-за изгибов труб, которые также могут снизить точность и воспроизводимость. Вводные турбинные расходомеры, как и датчики с крыльчаткой, будут измерять скорость только в определенной точке внутри трубы.Следовательно, они лучше подходят для полностью развитого турбулентного потока.

Магнитные расходомеры: Эти расходомеры измеряют средний расход по диаметру трубы и показывают очень незначительное изменение характеристик при переходе от ламинарного к переходному и полностью турбулентному потоку. Встраиваемые магнитомеры будут измерять поток в определенной точке вокруг датчика.

Однако в обеих конструкциях закрученные водовороты или вихри, возникающие на изгибах и поворотах труб, могут создавать проблемы. Кроме того, поскольку искажения профиля скорости могут возникать одновременно в нескольких жидкостных плоскостях, усреднение скорости для полнопроходных магнитных расходомеров имеет свои ограничения.По этой причине производители обычно рекомендуют прямолинейные участки трубопровода до пяти диаметров на входе и два диаметра на выходе для стабилизации любых изменений профиля потока.

Шестеренчатые расходомеры: Эти расходомеры работают путем нагнетания определенных объемов жидкости между двумя сцепленными шестернями. Жидкость обычно задерживается между шестерней и внутренним корпусом расходомера. После определения количества карманов с жидкостью, проходящих через определенный период времени, можно рассчитать расход.См. Рис.

http://endeca.coleparmer. com/cp_assembler/CPInternational/tech_article_landing?format=json&Ntt=815&tlg=en-us

ВЕРНУТЬСЯ НАЗАД

Биологические роли воды: Почему вода необходима для жизни?

от Молли Сарген
фигурки Дэниела Аттера

Вода составляет 60-75% массы тела человека. Потеря всего 4% воды в организме приводит к обезвоживанию, а потеря 15% может быть фатальной.Точно так же человек может прожить месяц без еды, но не проживет 3 дня без воды. Эта критическая зависимость от воды широко влияет на все формы жизни. Очевидно, что вода жизненно важна для выживания, но почему она так необходима?

Молекулярный состав воды

Многие роли воды в поддержании жизни обусловлены ее молекулярной структурой и некоторыми особыми свойствами. Вода — это простая молекула, состоящая из двух небольших положительно заряженных атомов водорода и одного большого отрицательно заряженного атома кислорода.Когда водород связывается с кислородом, он создает асимметричную молекулу с положительным зарядом с одной стороны и отрицательным с другой (рис. 1). Этот дифференциал заряда называется полярностью и определяет, как вода взаимодействует с другими молекулами.

Рис. 1: Химия воды. Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного кислорода. Эти атомы имеют разные размеры и заряды, что создает асимметрию в молекулярной структуре и приводит к прочным связям между водой и другими полярными молекулами, включая саму воду.

Вода — «универсальный растворитель»

Как полярная молекула вода лучше всего взаимодействует с другими полярными молекулами, такими как она сама. Это происходит из-за явления, когда противоположные заряды притягиваются друг к другу: поскольку каждая отдельная молекула воды имеет как отрицательную, так и положительную части, каждая сторона притягивается к молекулам с противоположным зарядом. Это притяжение позволяет воде образовывать относительно прочные связи, называемые связями, с другими полярными молекулами вокруг нее, включая другие молекулы воды.В этом случае положительный водород одной молекулы воды будет связываться с отрицательным кислородом соседней молекулы, собственные водороды которой притягиваются к следующему кислороду, и так далее (рис. 1). Важно отметить, что это связывание заставляет молекулы воды слипаться вместе, создавая свойство, называемое когезией. Сплоченность молекул воды помогает растениям впитывать воду своими корнями. Сплоченность также способствует высокой температуре кипения воды, что помогает животным регулировать температуру тела.

Более того, поскольку большинство биологических молекул обладают некоторой электрической асимметрией, они тоже полярны, и молекулы воды могут образовывать связи и окружать свои положительные и отрицательные области.Окружая полярные молекулы другого вещества, вода извивается во все укромные уголки и щели между молекулами, эффективно разрушая и растворяя. Вот что происходит, когда вы помещаете кристаллы сахара в воду: и вода, и сахар полярны, позволяя отдельным молекулам воды окружать отдельные молекулы сахара, разрушая сахар и растворяя его. Подобно полярности, некоторые молекулы состоят из ионов или противоположно заряженных частиц. Вода также разделяет эти ионные молекулы, взаимодействуя как с положительно, так и с отрицательно заряженными частицами. Вот что происходит, когда вы добавляете соль в воду, потому что соль состоит из ионов натрия и хлорида.

Обширная способность воды растворять самые разные молекулы принесла ей название «универсальный растворитель», и именно эта способность делает воду такой неоценимой силой поддержания жизни. На биологическом уровне вода как растворитель помогает клеткам переносить и использовать такие вещества, как кислород или питательные вещества. Растворы на водной основе, такие как кровь, помогают переносить молекулы в нужные места.Таким образом, роль воды в качестве растворителя облегчает транспортировку молекул, таких как кислород, для дыхания, и оказывает большое влияние на способность лекарств достигать своих целей в организме.

Вода поддерживает ячеистую структуру

Вода также играет важную структурную роль в биологии. Визуально вода заполняет клетки, помогая сохранять форму и структуру (рис. 2). Вода внутри многих клеток (в том числе тех, что составляют человеческое тело) создает давление, которое противостоит внешним силам, подобно тому, как воздух попадает в воздушный шар.Однако даже некоторым растениям, которые могут сохранять свою клеточную структуру без воды, по-прежнему требуется вода для выживания. Вода позволяет всему внутри клеток принимать правильную форму на молекулярном уровне. Поскольку форма имеет решающее значение для биохимических процессов, это также одна из самых важных ролей воды.

Рис. 2: Вода влияет на форму ячейки. Вода создает давление внутри ячейки, что помогает ей сохранять форму. В гидратированной ячейке (слева) вода выталкивается наружу, и ячейка сохраняет круглую форму.В обезвоженной клетке меньше воды выталкивается наружу, поэтому клетка становится морщинистой.

Вода также способствует образованию мембран, окружающих клетки. Каждая клетка на Земле окружена мембраной, большая часть которой состоит из двух слоев молекул, называемых фосфолипидами (рис. 3). У фосфолипидов, как и у воды, есть два различных компонента: полярная «голова» и неполярный «хвост». Из-за этого полярные головы взаимодействуют с водой, в то время как неполярные хвосты стараются избегать воды и вместо этого взаимодействуют друг с другом.В поисках этих благоприятных взаимодействий фосфолипиды спонтанно образуют бислои с головками, обращенными наружу, к окружающей воде, и хвостами, обращенными внутрь, за исключением воды. Двухслойный слой окружает клетки и выборочно позволяет таким веществам, как соли и питательные вещества, входить и выходить из клетки. Взаимодействия, участвующие в формировании мембраны, достаточно сильны, чтобы мембраны образуются спонтанно и их нелегко разрушить. Без воды клеточные мембраны не имели бы структуры, а без надлежащей структуры мембран клетки не смогли бы удерживать важные молекулы внутри клетки, а вредные молекулы вне клетки.

Фиг. 3: бислои фосфолипидов. Фосфолипиды образуют бислои, окруженные водой. Полярные головки обращены наружу для взаимодействия с водой, а гидрофобные хвосты обращены внутрь, чтобы избежать взаимодействия с водой.

Помимо влияния на общую форму клеток, вода также влияет на некоторые фундаментальные компоненты каждой клетки: ДНК и белки. Белки производятся в виде длинной цепочки строительных блоков, называемых аминокислотами, и для правильного функционирования им необходимо складываться в определенную форму.Вода управляет складыванием аминокислотных цепей, поскольку разные типы аминокислот ищут и избегают взаимодействия с водой. Белки обеспечивают структуру, принимают сигналы и катализируют химические реакции в клетке. Таким образом, белки являются рабочими лошадками клеток. В конечном итоге белки управляют сокращением мышц, общением, перевариванием питательных веществ и многими другими жизненно важными функциями. Без правильной формы белки не смогли бы выполнять эти функции, и клетка (не говоря уже о человеке) не могла бы выжить.Точно так же ДНК должна иметь определенную форму для правильного декодирования ее инструкций. Белки, которые читают или копируют ДНК, могут связывать только ДНК определенной формы. Молекулы воды упорядоченно окружают ДНК, чтобы поддерживать ее характерную конформацию двойной спирали. Без этой формы клетки не смогли бы следовать точным инструкциям, кодируемым ДНК, или передавать инструкции будущим клеткам, что сделало бы невозможным человеческий рост, воспроизводство и, в конечном итоге, выживание.

Химические реакции воды

Вода принимает непосредственное участие во многих химических реакциях, направленных на построение и разрушение важных компонентов клетки.Фотосинтез, процесс, который происходит в растениях, который создает сахар для всех форм жизни, требует воды. Вода также участвует в создании более крупных молекул в клетках. Молекулы, такие как ДНК и белки, состоят из повторяющихся единиц более мелких молекул. Соединение этих маленьких молекул происходит в результате реакции с образованием воды. И наоборот, вода необходима для обратной реакции, которая разрушает эти молекулы, позволяя клеткам получать питательные вещества или перенаправлять части больших молекул.

Кроме того, вода защищает клетки от опасного воздействия кислот и щелочей.Сильно кислые или щелочные вещества, такие как отбеливатель или соляная кислота, вызывают коррозию даже самых прочных материалов. Это связано с тем, что кислоты и основания высвобождают избыточные водороды или поглощают избыточные водороды, соответственно, из окружающих материалов. Потеря или получение положительно заряженных атомов водорода нарушает структуру молекул. Как мы узнали, белкам для правильного функционирования требуется определенная структура, поэтому важно защищать их от кислот и оснований. Вода делает это, действуя как кислота и основание (рис. 4).Хотя химические связи внутри молекулы воды очень стабильны, молекула воды может отдать водород и стать ОН–, действуя таким образом как основание, или принять другой водород и стать h4O +, таким образом действуя как кислота. Эта адаптивность позволяет воде бороться с резкими изменениями pH из-за кислотных или основных веществ в организме в процессе, называемом буферизацией. В конечном итоге это защищает белки и другие молекулы в клетке.

Рис. 4: Вода действует как буфер, высвобождая или принимая атомы водорода.

В заключение, вода жизненно необходима для всего живого. Его универсальность и адаптируемость помогают проводить важные химические реакции. Его простая молекулярная структура помогает поддерживать важные формы внутренних компонентов клеток и внешней мембраны. Никакая другая молекула не может сравниться с водой, когда речь идет об уникальных свойствах, поддерживающих жизнь. Интересно, что исследователи продолжают устанавливать новые свойства воды, такие как дополнительные эффекты ее асимметричной структуры. Ученым еще предстоит определить физиологическое влияние этих свойств.Удивительно, насколько простая молекула универсально важна для организмов с различными потребностями.


Молли Сарджен — студентка первого года обучения по программе биологических и биомедицинских наук Гарвардской медицинской школы.

Дэн Аттер — аспирант пятого курса по органической и эволюционной биологии Гарвардского университета.

Для получения дополнительной информации:

  • Чтобы узнать больше о важности растворимости лекарств, прочтите эту статью.
  • Прочтите эти статьи, чтобы узнать больше о белках и о том, как вода влияет на их складывание.
  • Узнайте больше о фосфолипидах здесь.
  • Узнайте больше о воде, влияющей на структуру ДНК

Использование воды и стресс — наш мир в данных

Забор воды: Забор воды (также иногда известный как «водозабор») определяется как пресная вода, забираемая из земли или с поверхности источники воды (например, реки или озера), постоянно или временно, и используемые для сельскохозяйственных, промышленных или муниципальных (бытовых) целей.

База данных AQUASTAT Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) определяет общий водозабор как: «Годовой объем водозабора для сельскохозяйственных, промышленных и муниципальных целей. Он может включать воду из первичных возобновляемых и вторичных ресурсов пресной воды, а также воду из чрезмерного забора возобновляемых подземных вод или забора из ископаемых подземных вод, прямого использования сельскохозяйственных дренажных вод, прямого использования (очищенных) сточных вод и опресненной воды.Он не включает виды использования в русле реки, которые характеризуются очень низким уровнем чистого потребления, например, рекреация, судоходство, гидроэнергетика, рыболовство во внутренних водоемах и т. Д. »

Общий забор равен: [забор для сельского хозяйства] + [забор для промышленности] + [забор для муниципального / бытового использования].

База данных AQUASTAT Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) дает следующие определения для забора воды в сельском хозяйстве, промышленности и муниципальных образованиях:

Забор воды в сельском хозяйстве : «Годовой объем забираемой воды самостоятельно для орошения, животноводства и аквакультуры.Он может включать воду из первичных возобновляемых и вторичных ресурсов пресной воды, а также воду из чрезмерного забора возобновляемых подземных вод или забора из ископаемых подземных вод, прямого использования сельскохозяйственных дренажных вод, прямого использования (очищенных) сточных вод и опресненной воды. Вода для молочной и мясной промышленности и промышленной переработки собранной сельскохозяйственной продукции включена в промышленный водозабор ».

Промышленный водозабор : «Годовой объем самовозабора воды для промышленных нужд.Он может включать воду из первичных возобновляемых и вторичных ресурсов пресной воды, а также воду из чрезмерного забора возобновляемых подземных вод или забора из ископаемых подземных вод, прямого использования сельскохозяйственных дренажных вод, прямого использования (очищенных) сточных вод и опресненной воды. Этот сектор относится к предприятиям с самообеспечением, не подключенным к общественной распределительной сети. Соотношение между чистым потреблением и изъятием оценивается менее чем в 5%. Он включает воду для охлаждения термоэлектрических и атомных электростанций, но не включает гидроэнергетику.Вода, забираемая предприятиями, подключенными к коммунальной сети водоснабжения, обычно включается в водозабор муниципальных предприятий ».

Муниципальный водозабор : «Годовой объем водозабора, в основном, для прямого использования населением. Он может включать воду из первичных возобновляемых и вторичных ресурсов пресной воды, а также воду из чрезмерного забора возобновляемых подземных вод или забора из ископаемых подземных вод, прямого использования сельскохозяйственных дренажных вод, прямого использования (очищенных) сточных вод и опресненной воды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *