Жёсткость воды

Основные соотношения

Разбираясь в единицах измерения давления, человек нередко путается во всех показателях. Для облегчения этого процесса были составлены специальные таблицы, благодаря которым можно в считанные минуты перевести показатели из одной системы в другую. Наиболее распространенные соотношения выглядят следующим образом: 1 ат = 104кгс/м2 (1 кгс/см2), что также равно 0,98∙105Па (чему соответствуют 98 кПа и 0,098 МПа). При этом атмосфера = 0,98∙103мбар (это равно 0,98 бар и 0,97 атм). Ну и, конечно же, не стоит забывать, что это еще равняется 104миллиметров водного столба, что соответствует 10 м водного и 735 мм ртутного столба.

Иные системы

Существует еще одна система измерения давления – МТС (расшифровка: метр-тонна-секунда), которая также имеет свою единицу, именуемую «пьеза». Одна пз (т.е. пьеза) = 1 сн/м2. В свою очередь 1 сн – это сила в 1 стен. Стоит сказать и о том, что в англоязычных странах для измерения давления используется чаще всего обозначение «psi» – пси (один psi равен отношению lbf/in2) – один фунт силы делится на квадратный дюйм (при этом 1 дюйм = 0,4536 кг). Если оно применяется для определения абсолютного давления, единица измерения будет такой: psia (приставка «а», т.е. absolute – абсолютный). В случае измерения избыточного давления это будет выглядеть как psig (приставка «g», т.е. gage, что переводится как «избыточный», «лишний»).

Почему в водопроводе в квартире плохой напор?

Существуют 3 основные причины низкого давления:

1. Крупные засоры в трубах, на очистных сооружениях. Обильные осадки, загрязнение рек – всё это ведет к скоплению мусора в водопроводе. Для борьбы с этим применяют комплексные меры, в которых задействуют специалистов, специальную технику.
2. Повреждения трубопровода. Отсутствие мер по обновлению систем снабжения, ведет к износу и последующим поломкам.
3. Ошибки в разработке плана водоснабжения. Большое количество перепадов высот, изгибов, соединений нескольких линий в одну ведут к замедлению скорости течения воды, что напрямую влияет на давление.

Своими силами исправить это практически невозможно, но искусственно повысить его в квартире, доме можно с помощью насосного оборудования.

Как его повысить?

Простейший способ увеличить напор  – поставить насос. В магазинах можно найти:

• проточные;
• стационарные (насосная станция).

Для гарантированного результата лучше установить несколько таких приборов. Сделать это можно, не запрашивая разрешения у служб ЖКХ.

Одновременная работа нескольких насосов может понизить напор у других жильцов. В таком случае суд может обязать удалить дополнительное оборудование из водопровода.

Стоит выбирать оборудование с производительностью 3.5 м3 в час и автоматической регулировкой. Крайне нежелательно, чтобы уровень шума превышал 40 дБ, иначе потребуется дополнительная звукоизоляция. Проточные насосы подсоединяются к трубам двумя шлангами.

Для насосных станций придется монтировать отдельный контур. Монтажом и реализацией занимаются специальные фирмы. Установка такого прибора гарантирует стабильное водоснабжение на протяжении многих лет.

Насосная станция – сложная система, в которую входят:

• небольшой резервуар;
• датчик давления;
• насос.

Такая конструкция позволяет защищать систему даже от небольших колебаний давления. Она анализирует величину напора в реальном времени, повышает или понижает его в зависимости от заданных параметров. Это необходимо в частном секторе, когда несколько соседей одновременно начинают полив своих участков.

Единицы измерений

Единицы измерений, переводные таблицы и формулы

Units, Conversion Tables, and Formulas

Единицы измерения давления / Pressure

kgf/cm² или kp/cm², at,

PSI или psi (фунт/кв. дюйм),

фунт-сила на квадратный дюйм

миллиметр ртутного столба

миллиметр водяного столба

(pounds/square inch или lbf/in²),

pound-force per square inch

Паскаль (Па, Pa) – единица измерения давления в Международной системе единиц измерения (система СИ). Единица названа в честь французского физика и математика Блеза Паскаля.

Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону (Н), равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр:

1 паскаль (Па) ≡ 1 Н/м²

Кратные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ:

1 МПа (1 мегапаскаль) = 1000 кПа (1000 килопаскалей)

Атмосфера (физическая, техническая)

Атмосфера – внесистемная единица измерения давления, приблизительно равная атмосферному давлению на поверхности Земли на уровне Мирового океана.

Существуют две примерно равные друг другу единицы с таким названием:

1. Физическая, нормальная или стандартная атмосфера (атм, atm) – в точности равна 101 325 Па или 760 миллиметрам ртутного столба.

Техническая атмосфера (ат, at, кгс/см²) – равна давлению, производимому силой 1 кгс, направленной перпендикулярно и равномерно распределённой по плоской поверхности площадью 1 см² (98 066,5 Па).

1 техническая атмосфера = 1 кгс/см² («килограмм-сила на сантиметр квадратный»). // 1 кгс = 9,80665 ньютонов (точно) ≈ 10 Н; 1 Н ≈ 0,10197162 кгс ≈ 0,1 кгс

На английском языке килограмм-сила обозначается как kgf (kilogram-force) или kp (kilopond) – килопонд, от латинского pondus, означающего вес.

Заметьте разницу: не pound (по-английски «фунт»), а pondus .

На практике приближенно принимают: 1 МПа = 10 атмосфер, 1 атмосфера = 0,1 МПа.

Бар (от греческого βάρος – тяжесть) – внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере. Один бар равен 105 Н/м² (или 0,1 МПа).

Соотношения между единицами давления

1 МПа = 10 бар = 10,19716 кгс/см² = 145,0377 PSI = 9,869233 (физ. атм.) =7500,7 мм рт.ст.

1 бар = 0,1 МПа = 1,019716 кгс/см² = 14,50377 PSI = 0,986923 (физ. атм.) =750,07 мм рт.ст.

1 ат (техническая атмосфера) = 1 кгс/см² (1 kp/cm², 1 kilopond/cm²) = 0,0980665 МПа = 0,98066 бар = 14,223

1 атм (физическая атмосфера) = 760 мм рт.ст.= 0,101325 МПа = 1,01325 бар = 1,0333 кгс/см²

1 мм ртутного столба = 133,32 Па =13,5951 мм водяного столба

Жёсткость деформируемых тел при их соединении

Параллельное соединение пружин.

Последовательное соединение пружин.

При соединении нескольких упруго деформируемых тел (далее для краткости — пружин) общая жёсткость системы будет меняться. При параллельном соединении жёсткость увеличивается, при последовательном — уменьшается.

Параллельное соединение

При параллельном соединении n{\displaystyle n} пружин с жёсткостями, равными k1,k2,k3,…,kn,{\displaystyle k_{1},k_{2},k_{3},…,k_{n},} жёсткость системы равна сумме жёсткостей, то есть k=k1+k2+k3+…+kn.{\displaystyle k=k_{1}+k_{2}+k_{3}+\ldots +k_{n}.}

Доказательство

В параллельном соединении имеется n{\displaystyle n} пружин с жёсткостями k1,k2,…,kn.{\displaystyle k_{1},k_{2},…,k_{n}.} Из III закона Ньютона, F=F1+F2+…+Fn.{\displaystyle F=F_{1}+F_{2}+\ldots +F_{n}.}
(К ним прикладывается сила F{\displaystyle F}. При этом к пружине 1 прикладывается сила F1,{\displaystyle F_{1},} к пружине 2 сила F2,{\displaystyle F_{2},} … , к пружине n{\displaystyle n} сила Fn.{\displaystyle F_{n}.})

Теперь из закона Гука (F=−kx{\displaystyle F=-kx}, где x — удлинение) выведем: F=kx;F1=k1x;F2=k2x;…;Fn=knx.{\displaystyle F=kx;F_{1}=k_{1}x;F_{2}=k_{2}x;…;F_{n}=k_{n}x.}
Подставим эти выражения в равенство (1):
kx=k1x+k2x+…+knx;{\displaystyle kx=k_{1}x+k_{2}x+\ldots +k_{n}x;} сократив на x,{\displaystyle x,} получим:
k=k1+k2+…+kn,{\displaystyle k=k_{1}+k_{2}+\ldots +k_{n},} что и требовалось доказать.

Последовательное соединение

При последовательном соединении n{\displaystyle n} пружин с жёсткостями, равными k1,k2,k3,…,kn,{\displaystyle k_{1},k_{2},k_{3},…,k_{n},} общая жёсткость определяется из уравнения: 1k=(1k1+1k2+1k3+…+1kn).{\displaystyle 1/k=(1/k_{1}+1/k_{2}+1/k_{3}+\ldots +1/k_{n}).}

Доказательство

В последовательном соединении имеется n{\displaystyle n} пружин с жёсткостями k1,k2,…,kn.{\displaystyle k_{1},k_{2},…,k_{n}.}
Из закона Гука (F=−kl{\displaystyle F=-kl}, где l — удлинение) следует, что F=k⋅l.{\displaystyle F=k\cdot l.} Сумма удлинений каждой пружины равна общему удлинению всего соединения l1+l2+…+ln=l.{\displaystyle l_{1}+l_{2}+\ldots +l_{n}=l.}

На каждую пружину действует одна и та же сила F.{\displaystyle F.} Согласно закону Гука, F=l1⋅k1=l2⋅k2=…=ln⋅kn.{\displaystyle F=l_{1}\cdot k_{1}=l_{2}\cdot k_{2}=\ldots =l_{n}\cdot k_{n}.} Из предыдущих выражений выведем: l=Fk,l1=Fk1,l2=Fk2,…,ln=Fkn.{\displaystyle l=F/k,\quad l_{1}=F/k_{1},\quad l_{2}=F/k_{2},\quad …,\quad l_{n}=F/k_{n}.} Подставив эти выражения в (2) и разделив на F,{\displaystyle F,} получаем 1k=1k1+1k2+…+1kn,{\displaystyle 1/k=1/k_{1}+1/k_{2}+\ldots +1/k_{n},} что и требовалось доказать.

Это соотношение выражает суть закона Гука. А значит, чтобы найти коэффициент жесткостипружины, следует силу растяжения тела разделить на удлинение данной пружины

При деформации тела возникает сила, которая стремится восстановить прежние размеры и форму тела. Эта сила возникает вследствие электромагнитного взаимодействия между атомами и молекулами вещества.

Закон Гука может быть обобщен и на случай более сложных деформаций. В технике часто применяются спиралеобразные пружины (рис. 1.12.3). Следует иметь в виду, что при растяжении или сжатии пружины в ее витках возникают сложные деформации кручения и изгиба.

В отличие от пружин и некоторых эластичных материалов (резина) деформация растяжения или сжатия упругих стержней (или проволок) подчиняются линейному закону Гука в очень узких пределах. Закрепите вертикально один конец пружины, второй же ее конец оставьте свободным. Жесткость – это способность детали или конструкции противодействовать приложенной к нему внешней силе, по возможности сохраняя свои геометрические параметры.

Различные пружины предназначены для работы на сжатие, растяжение, кручение или изгиб. В школе на уроках физики детей учат определять коэффициентжесткости пружины, работающей на растяжение. Для этого на штативе вертикально подвешивается пружина в свободном состоянии.

Вычисление силы Архимеда. Количество теплоты и калориметр. Теплота плавления/кристаллизации и парообразования/конденсации. Теплота сгорания топлива и КПД тепловых двигателей. Например, при деформации изгиба упругая сила пропорциональна прогибу стержня, концы которого лежат на двух опорах (рис. 1.12.2).

Поэтому ее часто называют силой нормального давления. Деформация растяжения пружины. Для металлов относительная деформация ε = x / l не должна превышать 1 %. При больших деформациях возникают необратимые явления (текучесть) и разрушение материала. С точки зрения классической физики пружину можно назвать устройством, которое накапливает потенциальную энергию путем изменения расстояния между атомами материала, из которого эта пружина сделана.

Методы устранения

Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO3)2→otCaCO3↓+CO2+H2O{\displaystyle {\mathsf {Ca(HCO_{3})_{2}{\xrightarrow{^{o}t}}CaCO_{3}\downarrow +CO_{2}+H_{2}O}}}

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту.

Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na2CO3 или гашёной извести Ca(OH)2. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O{\displaystyle {\mathsf {Ca(HCO_{3})_{2}+Ca(OH)_{2}\rightarrow 2CaCO_{3}\downarrow +2H_{2}O}}}

Лучшим реагентом для устранения общей жесткости воды является ортофосфат натрия Na₃PO₄, входящий в состав большинства препаратов бытового и промышленного назначения:

3Ca(HCO3)2+2Na3PO4→Ca3(PO4)2+6NaHCO3{\displaystyle {\mathsf {3Ca(HCO_{3})_{2}+2Na_{3}PO_{4}\rightarrow Ca_{3}(PO_{4})_{2}+6NaHCO_{3}}}}

3MgSO4+2Na3PO4→Mg3(PO4)2↓+3Na2SO4{\displaystyle {\mathsf {3MgSO_{4}+2Na_{3}PO_{4}\rightarrow Mg_{3}(PO_{4})_{2}\downarrow +3Na_{2}SO_{4}}}}

Ортофосфаты кальция и магния очень плохо растворимы в воде, поэтому легко отделяются механическим фильтрованием. Этот метод оправдан при относительно больших расходах воды, поскольку связан с решением ряда специфических проблем: фильтрации осадка, точной дозировки реагента.

Катионирование. Метод основан на использовании ионообменной гранулированной загрузки (чаще всего ионообменные смолы). Такая загрузка при контакте с водой поглощает катионы солей жёсткости (кальций и магний, железо и марганец). Взамен, в зависимости от ионной формы, отдаёт ионы натрия или водорода. Эти методы соответственно называются Na-катионирование и Н-катионирование. При правильно подобранной ионообменной загрузке жёсткость воды снижается при одноступенчатом натрий-катионировании до 0,05-0,1 °Ж, при двухступенчатом — до 0,01 °Ж.

В промышленности с помощью ионообменных фильтров заменяют ионы кальция и магния на ионы натрия и калия, получая мягкую воду.

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %.

Различают нанофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам нанометров) и пикофильтрацию (условный диаметр отверстий мембраны равен единицам пикометров). В качестве недостатков данного метода следует отметить:

• необходимость предварительной подготовки воды, подаваемой на обратноосмотическую мембрану;
• относительно высокая стоимость 1 л получаемой воды (дорогое оборудование, дорогие мембраны);
• низкую минерализацию получаемой воды (особенно при пикофильтрации). Вода становится практически дистиллированной.

Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости.

Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией.

Единицы измерения

Для численного выражения жёсткости воды указывают концентрацию в ней катионов кальция и магния. Рекомендованная единица СИ для измерения концентрации — моль на кубический метр (моль/м³), однако, на практике для измерения жёсткости используются градусы жёсткости и миллиграмм-эквиваленты на литр (мг-экв/л).

В СССР до 1952 года использовали градусы жёсткости, совпадавшие с немецкими. В России для измерения жёсткости иногда использовалась нормальная концентрация ионов кальция и магния, выраженная в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л). Один мг-экв/л соответствует содержанию в литре воды 20,04 миллиграмм Ca2+ или 12,16 миллиграмм Mg2+ (атомная масса делённая на валентность).

С 1 января 2014 года в России введён межгосударственный стандарт ГОСТ 31865-2012 «Вода. Единица жёсткости». По новому ГОСТу жёсткость выражается в градусах жесткости (°Ж). 1 °Ж соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его миллимоля на литр (1 °Ж = 1 мг-экв/л).

Иногда указывают концентрацию, отнесённую к единице массы, а не объёма, особенно, если температура воды может изменяться или если вода может содержать пар, что приводит к существенным изменениям плотности.

В разных странах использовались (иногда используются до сих пор) различные внесистемные единицы — градусы жёсткости.

По величине общей жёсткости различают воду мягкую (до 2 °Ж), средней жёсткости (2-10 °Ж) и жёсткую (более 10 °Ж).

Жёсткость воды поверхностных источников существенно колеблется в течение года; она максимальна в конце зимы, минимальна — в период паводка (например, жёсткость волжской воды в марте — 4,3 °Ж, в мае — 0,5 °Ж). В подземных водах жёсткость обычно выше (до 8-10, реже до 15-20 °Ж) и меньше изменяется в течение года.