Физические свойства жидкости

Жидкость – это физическое тело, обладающее текучестью. Текучесть – это способность неограниченно деформироваться и приходить в движение под действием незначительных сил.

Жидкости оказывают сопротивление сдвигу и сжатию.

Различают малосжимаемые (капельные) жидкости и сжимаемые (газообразные). С позиций механики жидкости разница между ними несущественна, если малы перепады температур и давления, а скорости движения менее 70 м/с. В этих случаях законы для капельных жидкостей справедливы и для газов.

С позиции физики разница между этими видами жидкости значительна. Капельные жидкости имеют вполне определенный объем и могут иметь свободную границу. Газы занимают все предоставленное пространство и могут значительно изменить свой объем при изменении температуры и давления.

В гидравлике и гидромеханике не рассматривается молекулярное строение вещества. Принимается гипотеза сплошной жидкой среды, то есть принимается, что в жидкости нет пустот и разрывов. При этом любая функция, характеризующая состояние жидкости, непрерывна и дифференцируема и позволяет рассматривать механические характеристики жидкостей функциями координат и времени.

Рассмотрим основные физические свойс тва жидкости.

Плотность жидкости. Плотность среды в некоторой точке определяется формулой:

, (1)

где - масса, находящаяся в объеме , в котором находится рассматриваемая точка.

Для однородной среды плотность представляет собой массу, заключенную в единице объема:

,

где m – масса однородной среды в объеме V.

Единицей измерения плотности в системе СИ является кг/м³, в технической системе - кгс×с²/м⁴.

Удельный вес. Для однородной среды удельный вес g - это вес единицы ее объема:

,

где G – вес однородной среды в объеме V.

Единицей измерения удельного веса в системе СИ является Н/м³, в технической системе - кгс/м³.

У воды при температуре 4°С плотность r = 1000 кг/м³, удельный вес
g = 9810 Н/м³.

Связь между удельным весом и плотностью выражается зависимостью:

,

где g – ускорение свободного падения.

Сжимаемость. Свойство изменять свой объем обратимым образом под действием всестороннего внешнего давления называется сжимаемостью и характеризуется коэффициентом объемного сжатия :

, (2)

где V – первоначальный объем жидкости, dV – изменение объема жидкости при увеличении давления на величину dp.

в системе СИ измеряется в м²/Н (1/Па). в технической системе -
в см²/кгс, м²/кгс.

Знак "-" в (2) обусловлен тем, что положительному приращению давления соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема жидкости.

Подставляя в (2) соотношение:

,

изменение плотности при изменении давления выразиться формулой:

, (3)

где и - плотность жидкости соответственно при давлении р и р₁,
- перепад давлений.

Для капельных жидкостей коэффициент - величина, обратная модулю упругости К:

.

Коэффициент объемного сжатия капельных жидкостей меняется незначительно при изменении температуры и давления.

Для воды при температуре 20°С и атмосферном давлении К = 2×10⁹ Па,
= 0,5×10^-91/Па.

Для идеальных газов (например, воздух) имеет место уравнение состояния Менделева-Клапейрона:

, (4)

где R – газовая постоянная, Дж/(кг×К), Т – абсолютная температура, К.

Из (2) и (4) следует, что для изотермического процесса, т.е. при T=const, коэффициент объемного сжатия для идеальных газов:

,

что говорит о высокой сжимаемости газов.

Температурное расширение. С ростом температуры объем капельных жидкостей и газов, как правило, увеличивается (вода: плотность от 0°С до 4°С – растет, а далее уменьшается; объем – наоборот). Расширение жидкости при изменении температуры характеризуется коэффициентом температурного расширения , 1/°С, выражающим относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1°С и постоянном давлении:

,

где V – первоначальный объем жидкости, dV – изменение объема жидкости при повышении температуры на dt.

Изменение плотности жидкости с повышением температуры можно определить по формуле:

,

где r и r₁ – плотность жидкости при температуре t и t₁, - изменение температуры.

Используя (4) коэффициент температурного расширения газов при p=const равен:

.

Вязкость. Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Если рассмотреть то, как распределяются скорости различных слоёв жидкости по сечению потока, то можно легко заметить, что чем дальше от стенок потока, тем скорость движения частиц больше. У стенок потока скорость движения жидкости равна нулю. Иллюстрацией этого является рисунок, так называемой, струйной модели потока. На рисунке применены следующие обозначения:

u - скорость слоя жидкости,

dy - расстояние между соседними слоями жидкости.

Медленно движущийся слой жидкости "тормозит" соседний слой жидкости, движущийся быстрее, и наоборот, слой, движущийся с большей скоростью, увлекает (тянет) за собой слой, движущийся с меньшей скоростью. Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями.

Если между соседними слоями жидкости выделить некоторую площадку S, то согласно гипотезе Ньютона:

, (5)

где T – силы вязкого трения;

S – площадь трения;

- градиент скорости;

m – динамический коэффициент вязкости.

Величина называется касательным напряжением. Тогда закон вязкостного трения Ньютона принимает вид:

.

Знак выбирается в зависимости от знака градиента так, чтобы напряжение было положительным.

Физический смысл динамического коэффициента вязкости - число, равное силе трения, развивающейся на единичной поверхности при единичном градиенте скорости.

В системе СИ m измеряется в Н×с/м² (Па×с).

На практике чаще используется кинематический коэффициент вязкости, названный так потому, что в его размерности отсутствует обозначение силы. Этот коэффициент представляет собой отношение динамического коэффициента вязкости жидкости к её плотности:

.

В системе СИ n измеряется в м²/с.

Для капельных жидкостей вязкость зависит от температуры t и давления р, однако последняя зависимость проявляется только при больших изменениях давления, порядка нескольких десятков МПа.

Зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры выражается формулой вида:

,

где m и m₁ – вязкость жидкости при температуре t и t₁.

Зависимость кинематической вязкости от воды?:

,

где t – температура воды, °С.

Таким образом, у капельных жидкостей при повышении температуры вязкость уменьшается. У газов при повышении температуры вязкость увеличивается.

Поверхностное натяжение. Молекулы жидкости притягиваются друг к другу с определённой силой. Причём внутри жидкости силы, действующие на любую молекулу, уравновешиваются, т.к. со всех сторон от неё находятся одинаковые молекулы, расположенные на одинаковом расстоянии. Однако молекулы жидкости, находящиеся на границе (с газом, твердым телом или на границе двух несмешивающихся жидкостей) оказываются в неуравновешенном состоянии т.к. со стороны другого вещества действует притяжение других молекул, расположенных на других расстояниях. Возникает преобладание какой-то силы. Под влиянием этого воздействия поверхность жидкости стремится принять форму, соответствующую наименьшей площади. Если силы внутри жидкости больше наружных сил, то поверхность жидкости стремится к сферической форме. Например, малые массы жидкости в воздухе стремятся к шарообразной форме, образуя капли. Может иметь место и обратное явление, которое наблюдается как явление капиллярности. В трубах малого диаметра (капиллярах) наблюдается искривление свободной поверхности, граничащей с газом или с парами этой же жидкости. Если поверхность трубки смачивается, свободная поверхность жидкости в капилляре вогнутая. Если нет смачивания, свободная поверхность выпуклая, как при каплеобразовании. Во всех этих случаях силы поверхностного натяжения обусловливают дополнительные напряжения p_пов в жидкости. Величина этих напряжений определяется формулой:

,

где s - коэффициент поверхностного натяжения,

r - радиус сферической поверхности, которую принимает жидкость.

Коэффициент поверхностного натяжения s представляет собой силу, действующую по касательной к поверхности жидкости и приходится на единицу длины линии раздела соседних частей поверхности. В системе СИ s измеряется в Н/м.

Эти дополнительные напряжения легко наблюдать, если в сосуд с жидкостью погрузить капилляр. В этом опыте возможны два варианта. В первом случае жидкость, за счёт поверхностных сил, поднимется по капилляру на некоторую высоту. Тогда говорят о капиллярном поднятии, и наблюдается явление смачивания.

Во втором варианте жидкость опускается в капилляре ниже уровня жидкости в сосуде. Такое явление называют капиллярным опусканием, которое происходит при несмачивании.

Высота поднятия воды в стеклянной капиллярной трубке при t=20°C определяется формулой: h» 30/d, где d – диаметр трубки, мм. Для ртути величина опускания в такой же трубке: h» 20/d.

Растворимость. Свойство газов образовывать с капельными жидкостями растворы (растворимость) характеризуется коэффициентом растворимости k, который представляет собой отношение объема растворенного газа V_г, соответствующего атмосферному давлению и температуре 0°C, к объему жидкости V_ж: k = V_г / V_ж.

Испарение. Процесс парообразования, происходящий с поверхности жидкости, называется испарением (это переход молекул жидкости в пар). Если жидкость, имеющая свободную поверхность длительное время находится в закрытом помещении, то с течением времени число молекул жидкости, переходящих в пар, может сравняться с числом молекул, возвратившихся в жидкость. Пар в этом случае станет насыщенным. Установившееся в нем давление называется давлением, или упругостью, насыщенного пара – это установившееся при данной температуре давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью.

Чем выше давление насыщенного пара при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. С увеличением температуры повышается упругость насыщенного пара.

Если внешнее давление станет равным давлению насыщенного пара, жидкость закипит. Соответствующая температура называется температурой кипения при данном давлении. Каждому значению температуры соответствует давление, при котором жидкость закипает. при низком давлении температура кипения низкая.

Кавитация. Явление, возникающее в движущейся жидкости при понижении давления до упругости насыщенного пара при температуре окружающей стеды, называется кавитацией. Кавитация сопровождается образованием парогазовых пузырьков, которые, перемещаясь с потоком жидкости в область с более высоким давлением, захлопываются, излучая ударную волну. Захлопывание пузырьков вблизи границ течения может вызвать разрушение твердых поверхностей. Кавитация может возникать в трубопроводах, насосах, клапанах, дросселях и т.д. (при поворотах, сужениях канала с последующим расширением).

Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте предмет гидравлики и основные вопросы, рассматриваемые в гидравлике.

2. Почему необходимо изучать гидравлику учителю трудового обу­чения и общетехнических дисциплин?

3. В чем заключается политехническая под­готовка учителей трудового обучения и общетехнических дисциплин? Укажите место гидравлики в политехнической подготовке учителей.

4. Назовите основные истори­ческие этапы формирования гидравлики как науки.

5. С какими учебными дисцип­линами в школе и в пединституте связана гидравлика?

6. Охарактеризуйте строе­ние жидкости, ее сходство и различие с твердым телом.

7. Чем объясняется малая сжимаемость жидкостей? Почему они не сохраняют свою форму?

8. Объясните явление кавитации и кавитационной эрозии в жидкостях.

9. Что называется вяз­костью? Какими параметрами характеризуется вязкость жидкости?

10. Как зави­сит вязкость от температуры и давления?

Дата добавления: 2015-07-14