Обозначение и единицы измерения

 

Основные физические свойства жидкостей:

- сжимаемость;

- упругость;

- расширяемость;

- текучесть;

- вязкость;

- испаряемость;

- растворимость газов.

Сопротивление жидкостей изменению своего объема при изменении давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия b _v  

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, численно равным относительному уменьшению объема W (увеличению плотности) при повышении на единицу давления p:

                       ,                               

или

                  ,

или

                       .

Коэффициент объемного сжатия воды имеет разные значения при изменении температуры:

                       0° -   5,02 × 10^-10 Па^-1

                       10° -  4,82  - // -

                       20° -  4,65  - // -

                       30° -  4,56  - // -

При выполнении гидравлических расчетов, когда в условиях расчетов не уточняется температура воды значение коэффициента объемного сжатия можно принимать равным: 

                                              b _v = 5 × 10^-10  м²/Н

При изменении давления в воде на 200 ат  ее объем изменяется лишь на 1 %.

Cжимаемость  жидкостей меньше сжимаемости газов, но по сравнению со сжимаемостью твердых тел, например, металлов или других строительных материалов, она сравнительно велика. Сжимаемость воды примерно в 100 раз больше сжимаемости стали.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется  модулем объемной упругости K, Па

                                        _.

Модуль упругости измеряется в Паскалях [Па].

Для воды модуль упругости в зависимости от температуры составляет:

                                              0° С -    1,99 × 10⁹ Па

                                              10°С -      2.07 - // -

                                              20°С -      2,15 - // -

                                              30°С -      2,19 - // -

В среднем для воды значение модуля упругости составляет: К = 2 × 10⁹ Па.

Различают адиабатический и изотермический модуль упругости. Первый несколько больше второго и проявляется при быстротечных процессах сжатия жидкости без теплообмена.                              Приведенные выше значения модуля упругости являются значениями изотермического модуля.

Расширение жидкости при нагревании характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения (коэффициентом температурного расширения) b _t , [ ° C ^-1], который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на один градус:

                                   ,

или                                           

                                 .

Среднее значение коэффициента температурного расширения для воды составляет 0,00015 ° С^-1.

При изменении  температуры  вода  на 70^о С  ее  первоначальный объем изменяется лишь на 1 %.

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4°С уменьшается. При 4°С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес. При дальнейшем нагревании объем воды увеличивается.

Текучестью жидкости называют ее способность неограниченно деформироваться под действием приложенной силы.

Свойство текучести говорит о том, что в состоянии равновесия текучие жидкости не воспринимают касательных напряжений.

Благодаря свойству текучести жидкости в обычных условиях, как и газы, практически не воспринимают и растягивающие усилия.

Вязкость (1-е определение) – свойство жидкости, обуславливающее возникновение касательных напряжений при ее движении.

Вязкость (2-е определение) – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) ее частиц.

Касательные напряжения, возникающие в движущейся жидкости, зависят от молекулярных связей.

Касательные напряжения t можно определить динамической вязкостью m и числом нарушенных молекулярных связей, оцениваемых интенсивностью изменения скорости U по нормали n к движению:

                                                                                                                   (*)      

где m - динамическая вязкость (или абсолютная вязкость) или коэффициент внутреннего трения (коэффициент динамической вязкости), [Па × с];

dn – расстояние между двумя бесконечно близкими слоями;

dU – разность скоростей, отнесенных к этим слоям;

 - относительный сдвиг (градиент скорости).

Динамическая вязкость   m - коэффициент, характеризующий свойства жидкостей.

Зависимость (*) называют законом вязкого трения Ньютона, а подчиняющиеся этому закону жидкости – ньютоновскими.

К ньютоновским жидкостям относятся вода и другие жидкости, обладающие высокой текучестью, а также газы.

Значение продольной силы внутреннего трения, возникающей между соседними слоями жидкости, движущимися с разными скоростями при прямолинейном движении, согласно гипотезе Ньютона и исследованиям Н.П. Петрова может быть определено по формуле:

                                              Т = ± m S dU / dn

где S – площадь поверхности соприкасающихся слоев.

Природа вязкости жидкости и газа не одинакова. В жидкости повышение температуры (кинетической энергии молекул) приводит к ослабеванию межмолекулярные связей, что способствует снижению динамической вязкости.

В газах с повышением температуры также усиливается диффузия, но именно это усиление обмена импульсами через плоскость сдвига определяет рост динамической вязкости газов.

Динамическая вязкость может измеряеться в Пуазах [П].

                                              1 П = 0,1 Па × с

Значение динамической вязкости зависит:

- от рода жидкости;

- от ее температуры;

- от ее плотности (чем больше плотность жидкости, тем больше ее вязкость);

- от давления (зависит относительно мало).

Вязкость жидкости характеризуется также кинематической вязкостью n (или относительной вязкостью), которую часто используют для решения практических задач.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости, т.е.                                             

                                   n = m / r ,   м²/с

В системе СГС за единицу кинематической вязкости принят Стокс [Ст]

                                   1 Ст = 1 см² / с

В системе  СИ  единица измерения  кинематической вязкости    м²/ c .

Кинематическая вязкость воды при атмосферном давлении определяется по формуле Пуазейля:   

           ,    м²/ c

Для определения вязкости жидкостей применяют приборы, называемые вискозиметрами (различных типов и конструкций):

- капиллярный вискозиметр;

- вискозиметр Энглера.

Работа капиллярного вискозиметра основана на сравнении времени вытекания одинаковых объемов двух разнородных жидкостей, вязкость одной из которых известна (например, вода).

 

Вискозиметр Энглера представляет собой сосуд, емкостью 200 см³, снизу которого припаяна трубка с диаметром отверстия 2,8 мм.

Отношение времени истечения исследуемой жидкости ко времени истечения такого же количества воды при температуре 20^оС характеризует ее вязкость в градусах Энглера

Кроме обычных (ньютоновских) жидкостей, для которых характерна зависимость, описывающая закон вязкого трения, существуют аномальные (неньютоновские) жидкости. К ним относятся смазочные масла, нефтепродукты – битумы, асфальт, глины (при определенной степени насыщения).

Для таких жидкостей закон внутреннего трения выражается в виде:

                                   t = t ^¢ ± m dU / dn

Подобные жидкости обнаруживают текучесть только в том случае, если сдвигающие силы превышают некоторую начальную величину t ^¢.

За счет колебательного теплового движения у молекул жидкости, возможно повышение кинетической энергии, которого достаточно для выхода из жидкой среды в газовую среду отдельных молекул. В результате формируются пары жидкости над ее поверхностью. Этот процесс называется испарением

Чем выше концентрация паров над поверхностью жидкости, тем выше вероятность и обратного процесса – перехода отдельных частиц пара в жидкость. При равенстве числа переходов прямого и обратного процессов пар над поверхностью жидкости становится насыщенным

Если внешнее давление при данной температуре станет равным давлению насыщенных паров, то возникнет кипение жидкости. Соответствующая этому состоянию температура называется температурой кипения. В закипевшей жидкости устанавливается температура и давление точки кипения. Подвод теплоты или попытка снизить давление приводит к увеличению интенсивности кипения.

Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям.

Интенсивность испарения зависит от:

- рода жидкости;

- от условий, в которых находится жидкость.

Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении: чем меньше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости.

Более полной характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров, выраженное в функции температуры. Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости.

Растворимость газов в жидкостях происходит при всех условиях. Количество растворенного газа в единице объема жидкости зависит от:

- рода жидкости;

- от давления.

Относительный объем газа, растворимого в жидкости до ее полного насыщения, можно считать прямо пропорциональным давлению.

При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного в ней газа, причем газ выделяется из жидкости интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

В движущейся жидкости возможны локальные изменения давления, например при обтекании твердых тел. При скоростях движения воды около 10 м/c и выше в зоне обтекания возможны участки с пониженным давлением. В этих местах давление может достичь давления насыщенных паров при данной температуре и произойдет «вскипание» жидкости. Затем возникшие пузырьки переносятся жидкостью в область более высокого давления, где они быстро исчезают. Такой процесс называется кавитацией.

Исчезновение пузырьков пара в зоне конденсации носит резкий, ударный характер и сопровождается мгновенным, локальным повышением давления. Механическое действие повышенного давления (местные удары при мгновенном заполнении жидкостью объемов, освободившихся в результате конденсации паро-воздушных пузырьков) приводит к разрушению материала конструкций в той области, где происходит явление кавитации, сопровождаемое характерным шумом и треском. Такое разрушение материала называется кавитационной эрозией.

Кипение и кавитация ограничивают область применения законов и зависимостей гидравлики, базирующихся на представлении о жидкости, как сплошной, непрерывной среде.

Жидкость состоит из молекул, которые при определенных условиях с некоторой силой притягиваются друг к другу.

Поверхностное натяжение жидкости обуславливается силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящихся сократить свободную поверхность жидкости. В связи с этим вводится понятие силы поверхностного натяжения применительно к модели жидкости как сплошной однородной несжимаемой среды. Эту силу характеризует коэффициент поверхностного натяжения s [ H /м].

Коэффициент поверхностного натяжения – величина, равная силе, с которой две соседние части свободной поверхности взаимодействуют друг с другом в пределах разделяющей их линии (контура) единичной длины.

Силы поверхностного напряжения удерживают свободную поверхность от разрушения, стягивают ее, стремясь свести к минимуму.

Как известно, из всех возможных форм тела, минимум поверхности имеет шар. Шаровую форму и приобретают капли жидкости под действием только сил поверхностного натяжения, когда исключено влияние других сил.

Величина поверхностного натяжения s зависит:

1. от природы жидкости;

2. от температуры жидкости.

Для воды, находящейся в соприкосновении с воздухом, значение s  при температуре 20^°С равно примерно:

                                   s = 0,0726 Н/м,

уменьшаясь с увеличением температуры.

Искривление свободной поверхности изменяет молекулярное давление, обусловленное силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя.

Молекулярное давление повышается при выпуклой свободной поверхности и снижается при вогнутой. Наиболее ярко последствия изменения молекулярного давления проявляются в тонких каналах – капиллярах.

Высоту капиллярного поднятия в трубке радиусом r можно рассчитать:

                                                                         

Q - угол между смоченной поверхностью и касательной к мениску.

 

Высоту подъема смачивающей жидкости (или опускание не смачивающей жидкости) в стеклянной трубке диаметром d определяют по формуле для полусферического мениска:

                                                          ,

где    имеет следующие значения в мм²:

Зависимость поверхностного натяжения от температуры имеет вид:

                                                          s = s _о - b × D t

где s_о – поверхностное натяжение при соприкосновении  с воздухом при температуре 0°С (для воды s_о = 0,076 Н/м);

Если стенки капилляра смачиваются, то местное снижение молекулярного давления в капилляре создает перепад (р₂ – р₁), который уравновешивается весом жидкости за счет высоты капиллярного поднятия.

В капиллярах из не смачиваемых материалов наблюдается снижение уровня.

 

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: