Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные физические свойства жидкостей и газов

Все вещества в природе имеют молекулярное строение. По характеру межмолекулярных связей жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Свойства жидкостей при высоких температурах и низких давлениях ближе к свойствам газов, а при низких температурах и высоких давлениях - к свойствам твердых тел.

Гипотеза сплошности. Жидкость в целом рассматривают как сплошную среду, непрерывно заполняющую пространство, т.е. принимают, что в жидкости нет пустот или разрывов, что все характеристики жидкости являются непрерывными функциями, имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам.

Рассмотрим следующие свойства и понятия:

1. плотность

2. удельный вес

3. удельный объем

4. сжимаемость (модуль упругости, скорость звука)

5. температурное расширение

6. вязкость (закон Ньютона, вискозиметр, текучесть)

7. сопротивление растяжению

8. поверхностное натяжение (капиллярность)

9. растворимость газов в жидкостях (закон Генри, кавитация)

10. понятие об идеальной жидкости

Замечание о системах единиц

Исторически сложилось так, что одновременно используются 3 системы единиц.

Международная система единиц измерения СИ (система интернациональная) - рекомендована к применению, однако учебники, инструкции и приборы не всегда ей соответствуют. СИ (метр, килограмм массы, секунда)

Физическая СГС (сантиметр, грамм, секунда)

Техническая МКГСС (метр, килограмм силы, секунда)

жидкость идеальный вязкость натяжение

1. Плотность

Плотность - масса единицы объема

Плотность характеризует распределение массы жидкости по объему .

В произвольной точке жидкости плотность

,

где - масса, заключенная в объеме , стягиваемом в точку .

Плотность однородной жидкости равна отношению массы жидкости к ее объему: . Единица измерения .

Все жидкости кроме воды характеризуются уменьшением плотности при увеличении температуры. Плотность воды максимальна при 4С 1000 кг/м3 и уменьшается как с уменьшением, так и с увеличением температуры. В этом проявляется одно из аномальных свойств воды. В гидравлических расчетах можно принимать плотность воды неизменной 1000 кг/м3.

2. Удельный вес

Удельный вес - вес единицы объема. Запомнить:

Единица измерения в системе СИ н/м3 . 9810 н/м3.

В гидравлических расчетах можно принимать g=9.81 м/c2.

Точная константа для перевода единиц измерения 9,80665.

3. Удельный объем

Удельный объем - объем единицы массы

По определению величина обратная плотности; единица измерения м3/кг.

4. Сжимаемость

Сжимаемость - способность жидкости изменять объем при изменении давления.

Величина обратная коэффициенту объемного сжатия - модуль (объемной) упругости жидкости (не следует называть «жесткость», как в физике)

.

2,1103 МПа, 2,1105 МПа.

Сжимаемость воды весьма незначительна. При увеличении давления на 100 кПа (примерно 1 кг/см2) объем воды уменьшится на 1 / 20 000. В гидравлических расчетах можно считать воду несжимаемой средой. Однако это справедливо лишь при небольших давлениях. Так, если бы вода в Мировом океане была абсолютно несжимаема, то уровень воды поднялся бы на 30 метров. Учитывать сжимаемость надо в гидравлических следящих приводах и в теории гидроудара.

В безграничной однородной жидкости или в объеме, ограниченном абсолютно жесткими стенками, скорость распространения звука

Для воды при 10С =1425 м/с.

5. Температурное расширение

– свойство жидкостей изменять объем при изменении температуры.

Характеризуется коэффициентом температурного расширения , С -1, представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на 1С (при постоянном давлении).

(знак «плюс», т.к. при увеличении температуры объем увеличивается).

Величина для воды меняется в зависимости от температуры. Из сказанного ранее следует, что для воды при 0С =0. Удельный объем воды при различных температурах и давлениях могут быть посчитаны по специальным формулам и приводится в таблицах (см. Ривкин, Александров)

6. Вязкость

Вязкость это свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев.

Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхности их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения или силами вязкости.

Сила трения . Касательное напряжение сдвига есть сила, отнесенная к площади действия. По закону Ньютона для вязкого трения касательное напряжение

,

ЗАКОН НЬЮТОНА (закон внутреннего трения Ньютона)

где - градиент скорости в направлении, перпендикулярном движущимся слоям жидкости.

Напомним: напряжение это сила, приходящаяся на единицу площади, следовательно силу вязкого трения между слоями жидкости площадью можно найти:

(Коэффициент пропорциональности есть динамический коэффициент вязкости жидкости (иногда называют абсолютной вязкостью в отличие от кинематического коэффициента вязкости, который отнесен к плотности). Знак в формуле выбирают в зависимости от направления оси и знака градиента скорости так, чтобы касательное напряжение было положительным (ибо отрицательным оно быть не может - всегда тормозит слой с большей скоростью).

Единица измерения динамического коэффициента вязкости в системе СИ Пас.

Единица «пуаз» (в память французского ученого Пуазейля, обозначается П) в 10 раз меньше, т.е. 1 Пас =10 П.

Для справки: , .

В гидравлических расчетах кроме динамической вязкости широко используют кинематический коэффициент вязкости (обозначается буквой - «ню», греч.), равную отношению динамической вязкости к плотности жидкости

Единица измерения кинематической вязкости в системе СИ .

Единица «стокс» (в память английского ученого Стокса, обозначается Ст) равна см2/с, следовательно 1 м2/с=104 Ст. В справочниках используется «сантистокс», 100 сСт=1 Ст.

Поэтому с целью уменьшения потерь при транспортировке вязкие жидкости, например мазут, нагревают, а воздуховоды и газопроводы охлаждают.

Для воды вязкость (до 60 С) (Киселев, стр. 13)

Измерение вязкости производят с помощью приборов различных типов и конструкций, называемых вискозиметрами.

Вискозиметр Энглера. Термостат с сосудом объемом 200 см3 с отверстием в дне диаметром 3 мм. Вязкость измеряется в градусах Энглера (обозначается Е). Градусом Энглера называется отношение времени истечения 200 см3 исследуемой жидкости к времени истечения такого же объема дистиллированной воды (примерно 50с) при температуре 20С. Для перехода от вязкости жидкости, выраженной в градусах Энглера, к кинематическому коэффициенту вязкости можно пользоваться эмпирической формулой Фогеля

, см2/с . (-)

С свойством вязкости связано свойство текучести.

Текучесть - способность существенно изменять форму под действием слабых внешних воздействий, в частности под действием силы тяжести.(*)

Текучесть свойственна жидкостям и газам в которых частицы легкоподвижны и нет касательных напряжений между слоями в состоянии покоя. Численно текучесть - величина обратная вязкости.

7. Сопротивление растяжению

Жидкости не сопротивляются растягивающим напряжениям. При снижении давления до давления насыщенных паров жидкости при данной температуре в жидкости образуются пустоты, заполненные паром. Нарушается целостность жидкости. Если давление повысить, то пустоты исчезнут, пар снова перейдет в жидкость.

8. Поверхностное натяжение

Жидкость под действием внутренних сил стремится уменьшить свою поверхность, если ей в этом не препятствуют какие-либо силы. Коэффициент поверхностного натяжения («сигма», греч.) численно равен работе, которую нужно затратить для увеличения поверхности жидкости на единицу площади. Другое определение: коэффициент поверхностного натяжения численно равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура, ограничивающего поверхность.

Для воды =0,074 н/м.

Из-за поверхностного натяжения давление в капле воды радиуса больше давления в окружающей среде на величину . На ту же величину больше давление в пузырьке воздуха в толще жидкости.

Капиллярность - способность жидкости подниматься или опускаться под действием сил поверхностного натяжения в трубках малого диаметра.

9. Адгезия

- способность молекул жидкости прилипать к поверхности твердого тела.

10. Растворимость газов в жидкостях

Растворенный в воде при нормальных условиях воздух составляет 2% по объему.

Растворимость подчиняется закону Генри , причем .

Коэффициент растворимости воды k=0,016 при Н.У. (101 кПа, 15С), для масла k=0,08.

Кавитация - процесс образования паро-воздушных пузырьков в области пониженного давления и их захлопывание в области повышенного давления.

Газ как сжимаемая жидкость

В газах расстояния между молекулами больше, а межмолекулярные силы меньше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому газы отличаются от жидкостей и твердых тел обладают большей сжимаемостью.

Плотность газов существенно зависит от температуры и давления и может быть определена с использованием закона Менделеева - Клапейрона

, где - абсолютное давление; - удельный объем газа; =287,1 Дж/кгК- универсальная газовая постоянная; - абсолютная температура К (С+273,15). Учитывая, что имеем:.

Жидкость и основные понятия гидравлики

Жидкость - тело, обладающее свойством текучести, т.е. способное сколь угодно сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. В отличие от газа весьма мало изменяет свою плотность при изменении давления.

Жидкая частица - выбранный для рассмотрения бесконечно малый объем жидкости, сохраняющий все ее свойства.

Жидкая частица - часть жидкости, малая по сравнению с объемом рассматриваемой жидкости, и в то же время объем частицы велик по сравнению с объемом молекулы жидкости.

Идеальная жидкость

Невязкая - при движении не возникает касательных напряжений.

Реальная жидкость( «вязкая жидкость») - жидкость действительная, обладающая всеми характерными для нее физическими свойствами (обычно противопоставляется термину «идеальная жидкость»).

Капельная жидкость

- образует капли, так как на поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения.

В гидравлике рассматриваются только капельные жидкости, т.е. обладающие свойством текучести, но в отличие от газа крайне мало изменяющие свою плотность при изменении давления.

Размещено на Allbest.ru