Warum macht Kälte Ihre Wasserleitungen platzen


Wir erleben derzeit kälter als saisonale Wetter hier in Seattle. Dies verursacht eine Menge Probleme mit Wasser Rohrbruch. Hier ist ein Bild von ein paar Fragen von einem Freund von mir Ian gelitten.

Warum platzen Rohre die Art und Weise, was, die Sie tun?

Warum platzen Wasserrohre, und warum nicht sie immer die gleiche Weise? Das sind zwei interessante Fragen.

Wasserrohre platzen, weil das Wasser in ihnen erweitert ist, dass es in der Nähe von Einfrieren, und dies wird bewirkt eine Erhöhung des Drucks im Rohr. Wenn der Druck zu hoch für das Rohr enthalten wird, platzt es.

Wir sind aufgewachsen mit Wasser um uns herum und so dieses Phänomen Erweiterung natürliche, aber Interessanterweise scheint, es ist eine chemische Anomalie. Die meisten Flüssigkeiten nicht erweitern nur vor dem Übergang zur festen. Sie sollten dafür dankbar sein; Es ist einer der Gründe, dass Leben existiert.

Wenn eine Flüssigkeit kühlt die Moleküle verlangsamen (Temperatur ist wirklich nur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Moleküle). Diese Verlangsamung erlaubt die Moleküle näher zusammen und erhöht die Dichte der Flüssigkeit. Dies geschieht auch mit Wasser, und wenn Wasser abgekühlt wird, es wird Dichter und Dichter, 3,98 ° c dann etwas Interessantes geschieht; Es beginnt wieder zu erweitern .

Sie sehen diese Wirkung auf die folgende Grafik zeigt, wie die Dichte von reinem Wasser mit der Temperatur (eine Atmosphäre) ändert. Sie können sehen, wie Dichte erreicht ein Maximum bei 3,98 ° C.

Aufgrund der Form eines Wassermoleküls ist es leicht polarisiert. Die Elektronen, die um ihn herum Summen sind eher auf einer Seite des Moleküls als der andere (genannt einen Dipol) sein, und diese Asymmetrie entsteht ein leichtes Potenzial. Wasser-Moleküle sind zu jeweils anderen gegenüberliegenden Seiten angezogen. Diese Potenziale erzeugen schwache Bindungen, die Wasserstoffbrücken aufgerufen werden. Wasserstoffbrückenbindungen, zwar nicht so stark wie kovalente Bindungen oder ionische Bindungen sind stärker, dass van der Vaals zwingt.

Diese zusätzliche Wasserstoffbrückenbindung "Klebstoff" Wasser-Moleküle ist gemeinsam der Grund, warum Wasser eine Flüssigkeit bei täglichen Temperaturen und Drücke ist (einer von den Gründen Leben existiert). Andere chemische Verbindungen ähnlich H2O, aber ohne den Vorteil der Wasserstoffverbindungen sind alle Gase in typischen Erde Temperaturbereichen.

Die Wasserstoffverbindungen im Wasser sind auch der Grund, warum Wasser so eine hohe spezifische Wärmekapazität (die Menge an Energie benötigt, um die Temperatur des Wasser ein Grad erhöhen); Dadurch wird unser Wetter zu dämpfen und hält die Erde in der Temperatur zu schnell ändern. Es bedeutet auch, dass Wasser für den Transport von Energie um groß ist (wie in Kraftwerken und hydronic Zentralheizungen). Es ist auch, warum es braucht viel Energie, um einen Wasserkocher um eine schöne Tasse Tee zu kochen!

Während Wasser abkühlt, wie andere Flüssigkeiten, die Moleküle verlangsamen und Dichter zu bekommen. Eine konkurrierende Kraft, ist jedoch der Wunsch nach der Wasser-Moleküle mit anderen Wassermolekülen anhand ihrer Wasserstoffverbindungen ausrichten, und dadurch Erweiterung. Unterhalb der Temperatur von 3,98 ° C auf 0 ° C diese Erweiterung Angleichungsprozess siegt gegen den Wunsch des langsameren Moleküle näher und Dichte verringert.

Zwar nicht ganz verstanden, ist diese Erweiterung, die wunderschöne Schneeflocken bilden mit ihren charakteristischen sechs Punkte verursacht.

Diese Abnahme der Dichte wird fortgesetzt, bis das Wasser endlich Form Eis gefriert. Wasser dehnt sich auf Form Eis hat ein Volumen bis zu 9 % größer ist als das Wasser kam es aus. Es ist deshalb, dass Eisberge Float (wobei geringere Dichte als das Wasser, das sie verdrängen).

Wieder, es scheint natürlich für uns, die hin-und Herbewegungen, Eis, weil wir dies alle Wirkung überall um uns herum aufgewachsen bin, aber dies ist atypisch.

Die meisten anderen Flüssigkeiten, beim Einfrieren, bilden eine solide "Kruste" an der Spitze. Als sie kühl, die solide gebildet, als Dichter, fällt auf den Boden der Kühlflüssigkeit und festen wächst von unten!

Dieses unregelmäßige Verhalten des Wassers ist noch ein weiterer Grund, dass Leben existiert. Wenn Wasser gefriert, schwimmt es nach oben, bilden eine Haut, die das Wasser unten isoliert. Wenn ein Fluss oder See oben gefriert, Leben weiter unten in der Flüssigkeit unter Links.

Warum gespalten Rohre längs?


Wir wissen jetzt, dass es die Ausdehnung des Wassers verursacht Überdruck innerhalb des Rohres, die bewirkt, dass es zum Bruch. Die zweite Frage zu beantworten ist, warum sie scheinen immer Parallel zur Richtung des Rohres zu platzen?

(Regelmäßige Leser meines Blogs werden viele Überschneidungen in diesem Thema auf mein Posting über herausfinden warum Würste die Art und Weise aufgeteilt, was, die Sie tun. Es ist der gleiche Grund).

Wir modellieren eine Wasserleitung als dünnwandigen Zylinder mit halbkugelförmigen Endkappen.

Was bedeutet das? Es bedeutet, dass wir nur mit der Modellierung der Wand des Rohres (das Ding, das nicht). Dünnwandige bedeutet, dass die Dicke des Rohres als vernachlässigbar gegenüber dem Durchmesser des Rohres angesehen ist (auf diese Weise müssen wir nur die Spannung in der Wand zu betrachten).

Nach Pascals Prinzip gehen wir davon aus, dass der Druck der Flüssigkeit im Rohr gleichmäßig ist.

Longitudinal Stress und Gebindespannung

Wegen der zylindrischen Symmetrie brauchen wir befürchten Schubspannung in der Rohrwand. Untersucht man ein kleines Quadrat auf der Oberfläche können wir die Kräfte, die in zwei senkrechten Richtungen gelöst betrachten: Hoop Stress führt um das Rohr wie ein Ring und längs Stress die axial auf das Rohr läuft.

Stress wird definiert als Kraft pro Flächeund kann berechnet werden, indem man die Kräfte erlebt über den Querschnitt, auf dem sie angewendet werden. Wir verwenden die griechischen Buchstaben σ, um Stress zu vertreten.

Longitudinal Stress

Stellen Sie sich einen Querschnitt Schnitt durch das Rohr enthüllt einen kreisförmigen Querschnitt. Axiale Belastung verläuft längs der Durchreise in diesem Ring-Abschnitt und muss die Druckkraft intern erlebt (Gleichgewicht) auszugleichen.

Σe = Kraft / Fläche

Die Kraft, die das Rohr ziehen, apart, End-to-End, wird der Innendruck durch die Querschnittsfläche multipliziert.

Kraft = Druck X (Querschnittsfläche des Rohres)

Kraft = Pπr2

Das Gebiet ist, dem über diese Kraft angewendet wird, ist die dünne Ring der Mauer um den Rand:

Bereich = 2πrt

Diese Kombination, berechnen wir den längs-Stress:

Σe = Pπr2 / 2πrt

Σe = Pr / 2 t

(Sie sehen aus der Ableitung dieser Stress-Berechnung, dass die longitudinale Spannung proportional zur Querschnittsfläche des Rohres ist.)

Gebindespannung

Um die Gebindespannung zu berechnen, wir schauen Sie sich ein Stück hinunter die Mittellinie des Rohrs und die Kräfte in einem kleinen Reifen Breite Dxbetrachten.

Bevor wir die Kraft durch den Innendruck, multipliziert mit der Fläche berechnet, die es über angewendet wird:

Kraft = P.2r.dx

Das Gebiet ist, dem über diese Kraft angewendet wird, ist die beiden Teile des Ringes an der Ober- und Unterseite des Zylinders:

Bereich = 2.t.dx

Diese Kombination, berechnen wir den längs-Stress:

Σh = P.2r.dx / 2.t.dx

Σh = Pr / t

Ergebnis

Vergleicht man die beiden Ergebnisse, können wir sehen, dass die Gebindespannung in der Wand doppelt ist, der die longitudinale Stress. Es sollte, daher nicht überraschen, dass Rohre durch ein Reifen-Fehler platzen und erstellen einen Bruch, der senkrecht zur Linie der maximalen Spannung läuft.

Gebindespannung: σe = Pr / 2 t

Longitudinal Stress: σh = Pr / t

Das heißt, isolieren Sie Ihre Rohre in diesem Winter!

Dieser Beitrag erschien ursprünglich auf Daten Genetikeine Website erstellt von Nick Berry besuchte als Rakete Wissenschaftler und Flugzeuge Designer, schloss das Studium mit einem Master-Abschluss in Aeronautical und Astronautical Engineering und aktuellen arbeitet als Wissenschaftler Daten an Facebook. Folgen Sie DataGenetics auf Twitter hier oder auf Facebook Seite hier.

Diesen Beitrag hat mit freundlicher Genehmigung von Nick Berry neu aufgelegt wurden.

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