Жидкость и силы действующие на нее. Основные физические свойства жидкостей и газов. Идеальная жидкость

Жидкостью в гидравлике называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил. Различают два вида жидкостей: жидкости капельные и жидкости газообразные (рис.1.2). Капельные жидкости представляют собой жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова (вода, нефть, керосин, масло и.т.д.). Газообразные жидкости - газы, в обычных условиях представляют собой газообразные вещества (воздух, кислород, азот, пропан и т.д.).

Рис. 1.2. Виды жидкостей

Основной отличительной особенностью капельных и газообразных жидкостей является способность сжиматься (изменять объём) под воздействием внешних сил. Капельные жидкости (в дальнейшем просто жидкости) трудно поддаются сжатию, а газообразные жидкости (газы) сжимаются довольно легко, т.е. при воздействии небольших усилий способны изменить свой объём в несколько раз (рис.1.3).

В гидравлике рассматриваются реальная и идеальная жидкости. Идеальная жидкость в отличие от реальной жидкости не обладает внутренним трением, а также трением о стенки сосудов и трубопроводов, по которым она движется. Идеальная жидкость также обладает абсолютной несжимаемостью. Такая жидкость не существует в действительности, и была придумана для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и исследований.

Рис. 1.3. Сжатие жидкостей и газов

 

На жидкость постоянно воздействуют внешние силы, которые разделяют на массовые и поверхностные.

 

Рис. 1.4. Поверхностные силы

 

Массовые: силы тяжести и инерции. Сила тяжести в земных условиях действует на жидкость постоянно, а сила инерции только при сообщении объёму жидкости ускорений (положительных или отрицательных). Поверхностные: обусловлены воздействием соседних объемов жидкости на данный объём или воздействием других тел.

 

Рассмотрим сосуд, наполненный жидкостью. Если выделить в нем бесконечно малый объём жидкости, то на этот объём будут действовать силы со стороны соседних таких же бесконечно малых объемов (рис.1.4). Кроме этого на свободную поверхность жидкости действует сила атмосферного давления P_атм и силы со стороны стенок сосуда.

Если на жидкость действует какая-то внешняя сила, то говорят, что жидкость находится под давлением. Обычно для определения давления жидкости, вызванного воздействием на неё поверхностных сил, применяется формула: (Н/м²) или (Па),

где F - сила, действующая на жидкость, Н (ньютоны);
S - площадь, на которую действует эта сила, м² (кв.метры).

Если давление Р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным давлением Р_абс. Если давление отсчитывают от атмосферного, то оно называется избыточным Р_изб. Атмосферное давление постоянно Р_а = 103 кПа (рис.1.5).

 

Рис. 1.5. Схема к определению давлений

 

 

За единицу давления в Международной системе единиц (СИ) принят паскаль – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м²:

1 Па = 1 н/м² =10дин/см²=0,102 кГс/м²= 10^-3 кПа = 10^-6 МПа

Размерность давления обозначается как "Па" (паскаль), "кПа" (килопаскаль), "МПа" (мегапаскаль). В технике в настоящее время продолжают применять систему единиц МКГСС, в которой за единицу давления принимается 1 кгс/м².

1Па= ; 1 Па= 0,102 кгс/м²; 1 кгс/м² = 9,81 Па

1 атм = 1,013·10⁵н/м² = 1,013·10⁵ Па =760 мм рт.ст.; 1 ат (техн.атм.)=9,81*10⁴ н/м²= 1 бар

 

Основные физические свойства жидкостей

1. Сжимаемость - свойство жидкости изменять свой объём под действием давления. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который определяется по формуле:

где V - первоначальный объём жидкости.

При гидравлических расчетах сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают и считают жидкости практически несжимаемыми. Сжатие жидкостей в основном обусловлено сжатием растворенного в них газа.

Сжимаемость понижает жесткость гидропривода, т.к., на сжатие затрачивается энергия. Сжимаемость может явиться причиной возникновения автоколебаний в гидросистеме, создаёт запаздывание в срабатывании гидроаппаратуры и исполнительных механизмах.

Иногда сжимаемость жидкостей полезна - её используют в гидравлических амортизаторах и пружинах.

2. Температурное расширение - относительное изменение объёма жидкости при увеличении температуры на 1°С при Р = const. Характеризуется коэффициентом температурного расширения:

Поскольку для капельных жидкостей коэффициент температурного расширения ничтожно мал, то при практических расчетах его не учитывают.

3. Сопротивление растяжению. Особыми физическими опытами было показано, что покоящаяся жидкость (в частности вода, ртуть) иногда способна сопротивляться очень большим растягивающим усилиям. Но в обычных условиях этого не происходит, и поэтому считают, что жидкость не способна сопротивляться растягивающим усилиям.

Рис. 1.6. Силы поверхностного натяжения

 

4. Силы поверхностного натяжения - эти силы стремятся придать сферическую форму жидкости. Силы поверхностного натяжения обусловлены поверхностными силами и направлены всегда внутрь рассматриваемого объёма перпендикулярно свободной поверхности жидкости. Рассмотрим бесконечно малый объём жидкости на свободной поверхности. На него будут действовать силы со стороны соседних объемов. В результате, если сложить вектора всех сил, действующих на рассматриваемый объём, то суммарная составляющая сила будет направлена перпендикулярно внутрь рассматриваемого объёма.

5. Вязкость жидкости - свойство жидкости сопротивляться скольжению или сдвигу ее слоёв. Суть её заключается в возникновении внутренней силы трения между движущимися слоями жидкости, которая определяется по формуле Ньютона:

где S - площадь слоёв жидкости или стенки, соприкасающейся с жидкостью [м^2],
μ - динамический коэффициент вязкости, или сила вязкостного трения,
- градиент скорости, перпендикулярный к поверхности сдвига.

Отсюда динамическая вязкость равна:

где τ - касательные напряжения жидкости, τ = T/S.

При течении вязкой жидкости вдоль твёрдой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью (рис.1.7). Скорость уменьшается по мере уменьшения расстояния y от стенки. При этом при y = 0, скорость падает до нуля, а между слоями происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений τ.

Рис. 1.7. Профиль скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки

 

Величина, обратная динамическому коэффициенту вязкости (1/μ) называется текучестью жидкости.

Отношение динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости называется кинематическим коэффициентом вязкости:

Величина ν, равная 1см²/с называется стоксом (Ст), а 0,01 Ст - 1 сантистоксом (сСт).

Таблица 1. Коэффициент кинематической вязкости воды

Температура воды, °С	vt, м2/с		Температура воды, °С	vt, м2/с
	0,73 · 10-6		0,47 · 10-6
	0,66 · 10-6		0,43 · 10-6
	0,6 · 10-6		0,41 · 10-6
	0,55 · 10-6		0,36 · 10-6
	0,51 · 10-6		0,32 · 10-6

 

Процесс определения вязкости называется вискозиметрией, а приборы, которыми она определяется, вискозиметрами.

Помимо оценки вязкости с помощью динамического и кинематического коэффициентов пользуются условной вязкостью - градусы Энглера (Е). Вязкостью, выраженной в градусах Энглера, называется отношение времени истечения 200 см³ испытуемой жидкости через капилляр d = 2,8 мм к времени истечения такого же объема воды при t = 20⁰ С:

Такой прибор называется вискозиметром Энглера. Для пересчета градусов Энглера в стоксы для минеральных масел применяется формула:

Таким образом, для оценки вязкости жидкости можно использовать три величины, которые связаны межу собой.

Рис. 1.8. Способы оценки вязкости жидкости

 

 

Вязкость жидкости зависит от температуры и от давления. При повышении температуры вязкость жидкости уменьшается и наоборот. У газов наблюдается обратное явление: с повышением температуры вязкость увеличивается, с понижением температуры - уменьшается.

6. Пенообразование. Выделение воздуха из рабочей жидкости при падении давления может вызвать пенообразование. На интенсивность пенообразования оказывает влияние содержащаяся в рабочей жидкости вода: даже при ничтожном количестве воды (менее 0,1% по массе рабочей жидкости) возникает устойчивая пена. Образование и стойкость пены зависят от типа рабочей жидкости, от её температуры и размеров пузырьков, от материалов и покрытий гидроаппаратуры. Особенно пенообразование происходит интенсивно в загрязненных жидкостях и бывших в эксплуатации. При температуре жидкости свыше 70⁰ С происходит быстрый спад пены.

7. Химическая и механическая стойкость. Характеризует способность жидкости сохранять свои первоначальные физические свойства при эксплуатации и хранении.

Окисление жидкости сопровождается выпадением из нее смол и шлаков, которые откладываются на поверхности элементов гидропривода в виде твердого налета. Снижается вязкость и изменяется цвет жидкости. Продукты окисления вызывают коррозию металлов и уменьшают надежность работы гидроаппаратуры. Налет вызывает заклинивание подвижных соединений, плунжерных пар, дросселирующих отверстий, разрушение уплотнений и разгерметизацию гидросистемы.

8. Совместимость. Совместимость рабочих жидкостей с конструкционными материалами и, особенно с материалами уплотнений, имеет очень большое значение. Рабочие жидкости на нефтяной основе совместимы со всеми металлами, применяемыми в гидромашиностроении, и плохо совместимы с уплотнениями, изготовленными из синтетической резины и из кожи. Синтетические рабочие жидкости плохо совмещаются с некоторыми конструкционными материалами и не совместимы с уплотнениями из маслостойкой резины.

9. Испаряемость жидкости. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых она находится: от температуры, от площади испарения, от давления, и от скорости движения газообразной среды над свободной поверхностью жидкости (от ветра).

10. Растворимость газов в жидкостях характеризуется объёмом растворенного газа в единице объёма жидкости и определяется по закону Генри:

где V_Г - объем растворенного газа; V_Ж - объем жидкости; k - коэффициент растворимости; Р - давление; Р_а - атмосферное давление.

Коэффициент k=0,016 (при 20⁰С) для воды, керосина 0,13; минеральных масел 0,08; жидкости АМГ-10 - 0,1. При понижении давления выделяется растворимый в жидкости газ. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

 

Идеальная — невязкая (совершенная) жидкость, обладающая следующими свойствами: абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений; абсолютной неизменностью в объеме под воздействием внешних сил. Идеальной жидкости в природе не существует, она является моделью реальной жидкости.

 

Лекция 2. ОСНОВЫ ГИДРОСТАТИКИ

Гидравлика делится на два раздела: гидростатика и гидродинамика. Гидростатикой называется раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое применение.

Гидростатическое давление

В покоящейся жидкости всегда присутствует сила давления, которая называется гидростатическим давлением. Жидкость оказывает силовое воздействие на дно и стенки сосуда. Частицы жидкости, расположенные в верхних слоях водоема, испытывают меньшие силы сжатия, чем частицы жидкости, находящиеся у дна.

m=ρV

Рассмотрим резервуар с плоскими вертикальными стенками, наполненный жидкостью (рис.2.1, а). На дно резервуара действует сила P, равная весу налитой жидкости , т.е. P = G.

 

Если эту силу P разделить на площадь дна S_abcd, то мы получим среднее гидростатическое давление, действующее на дно резервуара.

Гидростатическое давление обладает свойствами.

Свойство 1. В любой точке жидкости гидростатическое давление перпендикулярно площадке, касательной к выделенному объему, и действует внутрь рассматриваемого объема жидкости.

Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая свойства гидростатического давления:

а - первое свойство;

б - второе свойство

 

Свойство 2. Гидростатическое давление неизменно во всех направлениях.

 

Свойство 3. Гидростатическое давление в точке зависит от её координат в пространстве.