Основные физические свойства жидкостей и газов

Рассмотрим некоторые свойства жидкостей, которые оказывают наиболее существенное влияние на происходящие в них процессы и поэтому учитываются при расчетах гидравлических систем.

Плотность и удельный вес

Важнейшими характеристиками механических свойств жидко­сти являются ее плотность и удельный вес. Они определяют «весо­мость» жидкости.

Под плотностью р (кг/м³) понимают массу жидкости т, за­ключенную в единице ее объема W, т.е.

р = m/W.

Вместо плотности в формулах может быть использован также удельный вес у (Н/м³), т.е. вес G, приходящийся на единицу объ­емаW:

у = G/W.

Плотность и удельный вес жидкости связаны между собой. Эта связь легко устанавливается, если учесть, что G = mg:

γ ⁼

Изменения плотности и удельного веса жидкости при измене­нии температуры и давления незначительны, и в большинстве случаев их не учитывают. Плотности наиболее употребляемых жид­костей и газов (кг/м³): бензин — 710...780; керосин — 790...860 вода — 1000; ртуть — 13 600; масло гидросистем (АМГ-10) — 850 масло веретенное — 890...900; масло индустриальное — 880...920 масло турбинное — 900; метан — 0,7; воздух — 1,3; углекислый газ — 2,0; пропан — 2,0.

Вязкость

Вязкость — это способность жидкости сопротивляться сдвигу, т.е. свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касатель­ных напряжений (напряжений трения). Рассмотрим слоистое тече­ние жидкости вдоль стенки (рис. 1.3). В этом случае происходит тор­можение потока жидкости, обусловленное ее вязкостью. Причем скорость движения жидкости в слое тем ниже, чем ближе он рас­положен к стенке. Согласно гипотезе Ньютона касательное напря­жение, возникающее в слое жидкости на расстоянии у от стенки, определяется зависимостью

т = µ, (1.5)

где dv/dy — градиент скорости (записан упрощенно), характеризу­ющий интенсивность нарастания скорости v при удалении от стен­ки (по оси у).

Зависимость (1.5) называют законом трения Ньютона. Она была позднее экспериментально обоснована профессором Н. П. Пет­ровым. Течения большинства жидкостей, используемых в гидрав­лических системах, подчиняются закону трения Ньютона, и их называют ньютоновскими жидкостями. Однако следует иметь в виду, что существуют жидкости, в которых закон (1.5) в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньюто­новскими.

Величина v, входящая в (1.5), получила название динамичес­кой вязкости жидкости. Однако на практике более широкое при­менение нашла кинематическая вязкость:

V=µ/p.

Единицей измерения последней в системе СИ является м²/с или более мелкая единица см²/с, которую принято называть стоксом, I Ст = 1 см²/с. Для измерения вязкости также используются санти- стоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.

Вязкость жидкостей существенно зависит от температуры, при­чем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры падает, а вязкость газов — растет (рис. 1.4). В газах молекулы располагаются значительно дальше друг от друга. Вязкость газа зависит от интенсивности хаотичного движе­ния молекул. С ростом температуры эта интенсивность растет и вязкость газа увеличивается. Вязкость жидкостей зависит также от давления, но это измене­ние незначительно, и в большинстве случаев его не учитывают. В заключение отметим, что в гидравлике при изучении процес­сов течения используется понятие идеальной жидкости, под кото­рой понимают жидкость, лишенную вязкости.

Сжимаемость

Сжимаемость — это способность жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость капельных жидкостей и га­зов существенно различается. Так, капельные жидкости при изме­нении давления изменяют свой объем крайне незначительно. Газы, наоборот, могут значительно сжиматься под действием давления и неограниченно расширяться при его отсутствии.

Для учета сжимаемости газов при различных условиях могут быть использованы уравнения состояния или за­висимости для политропных процессов.

Сжимаемость капельных жидкостей характеризуется коэффи­циентом объемного сжатия (Па^-1):

,

где Δр — изменение давления; Δ W — изменение объема под дей­ствием Δр;W₀— начальный объем.

Знак минус в формуле обусловлен тем, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается, т.е. положительное при­ращение давления вызывает отрицательное приращение объема.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия р_р, на­зывается объемным модулем упругости жидкости (или модулем упругости) К= 1\β_р(Па).

Модуль упругости капельных жидкостей изменяется при изме­нении температуры и давления. Однако в большинстве случаев К считают постоянной величиной, принимая за нее среднее значе­ние в данном диапазоне температур или давлений. Различают изо­термический и адиабатический модули упругости. Причем обыч­но для расчетов используют изотермический модуль. Адиабатичес­кий модуль применяется при анализе быстротечных процессов. Изо­термические модули упругости некоторых жидкостей (МПа): бен­зин — 1300; керосин — 1280; вода — 2000; ртуть — 32 400; масло гидросистем (АМГ-10) — 1300; масло индустриальное 20 — 1360; масло индустриальное 50 — 1470; масло турбинное — 1700.

Температурное расширение

Капельные жидкости изменяют свой объем и при колебании температуры. Это их свойство, называемое температурным расши­рением (так как с увеличением температуры объем их увеличива­ется), характеризуется коэффициентом объемного расширения βt(К^-1):

 

 

Β_t= ,

где ΔT — изменение температуры; ΔW — изменение объема под действием ΔТ;W₀— начальный объем.

Газы весьма значительно изменяют свой объем при изменении уравнения состояния газов (см. подразд. 8.1) или формулы политропных про­цессов (см. подразд. 8.5).

Любая капельная жидкость способна изменять свое агрегатное состояние, в частности превращаться в пар. Это свойство капель­ных жидкостей называют парообразованием.

В гидравлике наибольшее значение имеет условие, при котором начинается интенсивное парообразование по всему объему — ки­пение жидкости. Для начала процесса кипения должны быть со­зданы определенные условия (температура и давление). Например, дистиллированная вода закипает при нормальном атмосферном давлении и температуре 100 °С. Однако это является частным слу­чаем кипения воды. Та же вода может закипеть при другой темпе­ратуре, если она будет находиться под воздействием другого дав­ления, т.е. для каждого значения температуры жидкости, исполь­зуемой в гидросистеме, существует свое давление, при котором она закипает. Такое давление называют давлением насыщенных паров р_{н п}. Величина р_{н п} всегда приводится в абсолютных давлени­ях и зависит от температуры.

Для примера на рис. 1.5 приведе­на зависимость давления насыщен­ных паров воды от температуры. На графике выделена точка А, соответ­ствующая температуре 100 °С и нор­мальному атмосферному давлению /V Если на свободной поверхности йоды создать более высокое давле­ние р_и то она закипит при более высокой температуре Т_х (точка В на рис. 1.5). И наоборот, при малом дав­лении р₂ вода закипает при более низкой температуре Т₂ (точка С на рис. 1.5).

Парообразование происходит при постоянном давлении, то и температура двухфазной среды также остается по­стоянной, а ее повышение начинается только после перехода всей жидкости (до мельчайших капель) в газообразное состояние. Эта особенность двухфазной среды используется в паровых машинах и большинстве холодильных установок. При этом двухфазную среду называют влажным паром (газ со взвешенными каплями жидко­сти), а чисто газообразное состояние жидкости — сухим паром.Если парообразование происходит в закрытом сосуде, то оно сопровождается повышением давления. Процесс идет по линии от точки С к точке А, затем В и далее (см. рис. 1.5). Это недопусти­мо, так как может привести к аварийному разрушению сосуда (взрыву).