Естественный водород представляет собой смесь двух изотопов: водорода (99,985%) и дейтерия (0.015%). Молекулы водорода существуют в двух состояниях: параводорода и ортоводорода. В интервале температур от 0 до 20 градусов (по Кельвину) водород находится в пара-состоянии. При более высоких температурах (около 200 градусов) водород частично изомеризуется в орто-состояние примерно в следующей пропорции: 75 % ортоводорода с параллельно ориентированными ядерными спинами и 25 % параводорода с антипараллельными спинами ядер. Соотношение ортоводорода и параводорода сильно зависит от температуры (до 200 градусов) и практически не зависит от давления. Таким образом, приведенные ниже теплофизические свойства водорода соответствуют пропорции ортоводорода и параводорода в пропорции 75/25.

Наибольший интерес для приложений в атомной науке и технике представляют характеристики и свойства водорода в диапазоне температур Т = 300 K÷1200 K и давлений Р = 0,1÷1,2 MПa. Данные диапазоны охватывают «рабочие» области изменения температуры и давления в действующих российских коммерческих ядерных реакторах (ВВЭР-1000: 580 – 630 градусов и БН-600: 890 – 940 градусов). Более высокие интервалы изменения температуры интересны в плане изучения последствий проектных и запроектных аварий. Водородные взрывы, прозвучавшие при аварии на японской АЭС «Фукушима» в 2011 г., указывают на очевидную актуальность теплофизических данных водорода в рассматриваемых интервалах.

Далее приводятся данные для расчета теплофизических характеристик газообразного водорода в зависимости от температур Т и давления Р. При этом систематизировались и анализировались данные, приведенные в работах [10÷24]. Если не оговорено особо, указанные погрешности соответствуют 95%-му квантилю нормального распределения (т.е. указаны погрешности 2σ).

Фундаментальные константы для водорода:

Далее приводятся корреляции, которые рекомендуется использовать при расчетах теплогидравлических характеристик Н₂.
Удельный объем
Удельный объем, м³/кг, [13]:
V=RT/P+B(T) (1)
где температура Т в К, давление Р в Па, B(T) = b₀·B*; b₀ = 18,603·10^-3 м³/кг.

B* = ∑⁵ _{i = 1} α_i[lnT*]^-(i-1) (2)
где T* = T/ε, ε = 25,7 K, α₁ = –0,719805; α₂ = –9,93238; α₃ = – 28,4411; α₄ = – 31,7303E ; α₅ = –13,5541. Точность аппроксимации не превышает 6 %.

Удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг К) [9, 15]:
H_p = H_po-B₂P/T, (3)
где
H_po/R = ∑⁴_{i = -2}φ_i(T10^-4)ⁱ;, B₂ = φ₀T*²(d²B^*/d(T*)²)
где φ_-2 = – 0,000181996; φ_-1 = 0,0; φ₀ = 4,00126; φ₁ = – 15,6159; φ₂ = 178,060; φ₃ = –650,552; φ₄ = 832,583. Точность аппроксимации не превышает 0,1 % в интервале температур T = 200÷2000 K и при давлении Р = 0,1 ÷ 1,2 MПa.

Удельная изохорная теплоемкость, Дж/(кг К), [9, 15]: H_v = H_vo = (2B₁+B₂)p/T, (4)
B₁ = T(dB/dT) = f_{i = o}T*(dB*/dT*),
где H_vо = H_pо - R, B₂ показаны выше.
Точность аппроксимации не превышает 0,1 % в интервале температур T = 200 ÷ 2000 K, при давлении в диапазоне Р = 0,1 ÷ 1,2 MПa.

Термодинамическая скорость звука, м/с, [22]:
W = √((H_po/H_vo)V²(dP/dV)_T), (5)

Удельная энтальпия, Дж/кг, [17]:
Э = Э₃₀₀- Э_o)M^-1+10⁴∫^τ₀H_podτ+(b-b₁)P, (6)
где Э₃₀₀ – Э_o = 8,521·10⁶, Дж/кг.
При расчетах учитывается начальная точка отсчета – состояние газа при T = 0 K, τ = (10^-4T) K, B и B₁ и С_po, показанных выше.

Аппроксимационная точность не превышает 0,2 % в рассматриваемом диапазоне параметров.

Удельная энтропия, Дж/(кг К), [17]:
S = S₃₀₀M^-1+∫^τ_0.03H_pod(lnτ)-Rln(p/p₀)-(B₁p/T); (7)
S₃₀₀ = 130,747(10³), Дж/(кмоль К)

S – энтропия в стандартном идеально-газовом состоянии,
М – молекулярный вес,
P_о = 0,101325·10⁶ Пa,
Н_p0, τ и B рассматриваются выше.
Аппроксимационная точность не превышает 0,1% в диапазоне температур от 300 до 2000 К и при давлении от 0,1 до 6 МПа.

Динамическая вязкость
Коэффициент динамической вязкости, Па·с, [22]:
β = (2,669 10 ^{- 6}√MT)/(d²K), (8)

K = ∑⁵_{i = 1}ω_i(lnT*) ^{- (i - 1)}, (9)
где T* = T/ε, ε = 25,7 K , d = 3,1 ангстрем и ω₁ = –0,371991; ω₂ = 6,88310; ω₃ = –16,9271; ω₄ = 21,0628; ω₅ = –10,1934. Аппроксимационная точность: при температуре T = 300 ÷ 1000 K составляет 1 %, при Т = 1000 ÷ 2500 K составляет 1,5 %.

Теплопроводность

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м К), по данным работы [24]:
α = βH_vof (10)

f = 3,75R/H_vo + E H_in/H_vo(11)
H_in = H_po - 5R/2

E = 1,2∑³_{i = 1}ε_i(lnT*) ^{- (i - 1)} ,(12)
где β (Па с), H_vo (Дж/(кг К)), ε₁ = 1,19903; ε₂ = –0,211897; ε₃ = 0,126810.

Аппроксимационная точность: при T в диапазоне от 300 до 1000 K равна 2 %, при Т в диапазоне от 1000 до 2500 К составляет 3 %.
Часть данных из нижеприведенной таблицы рассчитаны по приведенным выше соотношениям для давления 750 мм рт. ст. Кроме того, соотношение δ = β/r используется для расчета коэффициента кинематической вязкости; γ = α/(H_pr) – для коэффициента температуропроводности, и ε = δ / γ – для числа Прандтля.