Жидкости и газы. Силы, действующие в жидкостях и газах

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

В природе различают четыре агрегатных состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазменное. Жидкость занимает промежуточное положение между твёрдыми телами и газами. Свойства жидкостей при низкой температуре и высоком давлении близки к свойствам твёрдых тел, а при высокой температуре и низком давлении – к свойствам газов.

Жидкость, как всякое тело, имеет молекулярное строение, т.е. состоит из молекул, объём пустот между атомами намного превосходит объём самих молекул. Причём в жидкостях и твёрдых телах объём пустот между молекулами меньше, а межмолекулярные силы больше, чем в газах. Ввиду бесконечной малости молекул и пустот между ними по сравнению с рассматриваемыми объёмами жидкости можно рассматривать жидкости и газы в виде некоторой сплошной среды, придавая ей свойства непрерывности.

Жидкость - это физическое тело, обладающее лёгкой подвижностью частиц, текучестью и способное изменять свою форму под воздействием внешних сил.

Жидкости разделяют на сжимаемые (газообразные) и несжимаемые или весьма малосжимаемые (капельные).

Для облегчения изучения законов движения жидкости вводят понятия идеальной и реальной жидкости.

Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью в объёме под воздействием внешних сил.

Реальные - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.

Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими (бингамовскими). В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями.

Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя. Эта особенность была подмечена Ф.Н.Шведовым (1889), а затем Бингамом (1916), поэтому такие жидкости (битум, гидросмеси, глинистый раствор, коллоиды, нефтепродукты при температуре, близкой к температуре застывания) получили и другое название - бингамовские.

Силы, действующие в жидкости, принято делить на внутренние и внешние.

Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, внешние силы делятся на силы поверхностные и объёмные.

Поверхностные силы (сжатие, давление, растяжение, силы трения) приложены к поверхностям, ограничивающим объём жидкости.

Объёмные силы (например, сила тяжести, сила инерции, электромагнитная сила) распределяются по всему объёму жидкости.

С термодинамической точки зрения состояние жидкости или пара характеризуется тремя параметрами: давлением p, плотностью r и температурой T, связанными между собой уравнением состояния.

Исходной единицей давления в Международной системе единиц СИ является паскаль:

[p]=1Па=1 .

На практике используют более крупные единицы – гектапаскаль (1гПа = 10² Па), килопаскаль (1кПа = 10³ Па), бар (1бар = 10⁵ Па) и мегапаскаль (1МПа = 10⁶ Па).

В технической литературе часто встречается другая единица измерения давления - техническая атмосфера (ат).

Плотность выражается в единицах массы, приходящихся на единицу объёма. Исходной единицей массы в СИ служит 1 кг. Размерность плотности

Основные гипотезы и понятия сплошной среды

Классическая гидромеханика основана на трёх утверждениях:

1) справедлива классическая механика - механика Ньютона

2) справедлива классическая термодинамика

3) справедлива гипотеза сплошности.

Первое утверждение предполагает, что изучаются движения со скоростями, малыми по сравнению со скоростями света и рассматриваются объекты, размеры которых существенно превосходят размеры микромира.

Второе утверждение предполагает, что в окрестности каждой точки жидкость находится в состоянии термодинамического равновесия, вследствие чего можно пользоваться термодинамическими законами.

Третье утверждение предполагает замену реальной жидкости с её дискретным молекулярным строением моделью сплошного распределения вещества по рассматриваемому объёму. Возможность такой замены и носит название гипотезы сплошности.

Объёмные и поверхностные силы

Вследствие текучести (подвижности частиц) в жидкости не действуют сосредоточенные силы, а только непрерывно распределенные по ее объему или поверхности. В связи с этим силы, действующие на объем жидкости и являющиеся по отношению к ней внешними, разделяют на объемные (массовые) и поверхностные.

К объемным силам относятся силы тяжести и силы инерции, а к поверхностным — силы, обусловленные воздействием соприкасающихся с жидкостью тел (твердых или газообразных) или же соседних объемов жидкости

Далее более подробно остановимся на рассмотрении поверхностных сил, поскольку, согласно третьему закону Ньютона, жидкость действует на соприкасающиеся с нею тела с такими же силами, но в противоположном направлении.

В общем случае поверхностная сила R, действующая на площадке А, направлена под некоторым углом к ней, и ее можно разложить на нормальную Fи тангенциальную составляющие (рис. 1). Первая называется силой давления, а вторая — силой трения.

Рис.1. Разложение поверхностной силы на две составляющие

Массовые и поверхностные силы в гидромеханике рассматривают в виде единичных сил, отнесенных к единице массы и единице площади соответственно.

Таким образом, единичная поверхностная сила, называемая напряжением поверхностной силы, раскладывается на нормальное р и касательное напряжения t.

Нормальное напряжение, т.е. напряжение силы давления, называется гидромеханическим давлением, или просто давлением.

Давление. Давление является одним из важнейших физических параметров, используемым, как в расчетных целях, например для определения расхода, количества энергии жидкости, так и для контроля и прогнозирования безопасных и эффективных гидравлических режимов работы элементов гидросистем.

Итак, давлением р называют отношение абсолютной величины нормального, т.е. действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F кплощади этой поверхности А.

Поскольку в международной системе единиц СИ единицей площади является м², а единицей силы — Н (ньютон), то единицей измерения давления будет Н/м². Эта единица носит название паскаль и обозначается Па:

1 Па = 1 Н/м².

Следует применять также производные от нее, такие как килопаскаль [кПа = 10³ Па], мегапаскаль [МПа = 10⁶ Па] и т.п.; в виде исключения используют бар [бар]:

1 бар = 10⁵ Па = 10² кПа = 0, 1 МПа.

На практике давление могут измерять относительно двух различных уровней (рис. 2):

• уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления — идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которого удалены все молекулы и атомы вещества среды;

• уровня атмосферного, или барометрического, давления (ГОСТ 8.271-77).

Атмосферным давлением называют давление атмосферного воздуха на находящиеся в нем предметы и на земную поверхность и обозначают р_атм. В каждой точке атмосферы атмосферное давление определяется весом вышележащего столба воздуха; с высотой его значение уменьшается. Атмосферное давление меняется в зависимости от погодных условий и географического положения местности; на уровне моря его значение колеблется от 0, 098 до 0, 104 МПа (от 0, 98 до 1, 04 бар). Среднее значение р_атм составляет 0, 101325 МПа (1, 01325 бар).

Давление, измеряемое относительно абсолютного вакуума, называют абсолютным давлением р_абс (атмосферное давление — это абсолютное давление земной атмосферы).

Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмосферного, называют соответственно избыточным давлением р_изб или вакуумметрическим давлением р_вак (давлением разрежения). Разность двух отличных от атмосферного давлений, одновременно измеряемых в различных процессах или двух точках одного процесса, называют дифференциальным давлением р_диф.

Приборы для измерения давления весьма разнообразны. Они классифицируются по различным признакам. По характеру измеряемой величины давления приборы разделяются на следующие группы:

- приборы для измерения атмосферного давления р_ат- барометры;

- приборы для измерения разности абсолютного р_а и атмосферного давлений р_ат , то есть для измерения избыточного давления р_и - манометры и вакуума р_в - вакуумметры. Приборы, измеряющие избыточное давление и вакуум называются мановакуумметрами;

- приборы для измерения абсолютного давления р_а - манометры абсолют ного давления (если измеряемое давление больше атмосферного, то абсолютное давление можно измерять с помощью барометра и манометра; если меньше атмосферного - с помощью барометра и вакуумметра );

- приборы для измерения разности давлений - дифференциальные манометры;

- приборы для измерения малого избыточного давления и вакуума - микрманометры.

По принципу действия различают приборы жидкостные, механические, электрические, комбинированные.

К жидкостным относятся приборы, основанные на гидростатическом принципе действия, заключающемся в том, что измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом столба жидкости, высота которого h (м) служит мерой давления

p = ρ ·g·h, (3)

где ρ - плотность жидкости, кг/м^З; g - ускорение свободного падения, м/с².

Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и высокая точность, однако они удобны только при измерении небольших давлений.

В механических приборах измеряемое давление деформирует упругий элемент прибора - пружину, которая может представлять собой полую трубку, мембрану, сильфон и т.п. Деформация упругого элемента, вызванная давлением, по закону Гука пропорциональна давлению и служит его мерой. Преимуществом механических приборов является их компактность и большой диапазон измеряемых давлений.

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал, который регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) приборами. Важным преимуществом этих приборов является то, что с их помощью можно фиксировать давление при быстротекущих процессах.

К комбинированным относятся приборы, принцип действия которых носит смешанный характер (например, электромеханические приборы).

Диапазон давлений, измеряемых в технике, составляет 17 порядков: от 10^-8 Па — в электровакуумном оборудовании до 10³ МПа — при обработке металлов давлением.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒