Физические свойства жидкости.

ЛЕКЦИЯ 1

Основные понятия гидравлики. Основные законы гидростатики.

Предмет гидравлики

Гидравлика или техническая механика жидкости наука о законах равновесия и движения жидкости, о способах применения этих законов к решению задач. В гидравлике, как и в механике твердых тел, выделяют кинематику жидкости, гидростатику и гидродинамику.

Гидростатика изучает законы равновесия (покоя) жидкости.

Кинематика жидкости является разделом гидравлики, в котором движение изучается вне зависимо от действующих сил. В кинематике устанавливается связь между геометрическими характеристиками движения и временем.

Гидродинамика изучает законы движения жидкости.

Понятие жидкости.

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием – жидкости. Жидкостьюв гидравлике называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил. Способность жидкости неограниченно деформироваться под действием сколь угодно малых сил называются текучестью. Это одно из основных свойств жидкостей.

Текучесть жидкости обусловлена тем, что жидкость способна оказывать достаточно сильное противодействие сжимающим усилиям и практически не оказывает сопротивления растягивающим (сдвигающим) усилиям. Именно поэтому жидкость принимает форму сосуда, в котором заключена.

Идеальная и реальная жидкость.

В гидравлике рассматриваются макроскопические движения жидкостей, а также силовое взаимодействие с твердыми телами. При этом, как правило, размеры рассматриваемых объемов жидкостей, газов и твердых тел оказываются несопоставимо большими по сравнению с размерами молекул и межмолекулярными расстояниями. Указанные обстоятельства позволяют ввести гипотезу сплошностиизучаемой среды и заменить реальные дискретные объекты упрощенными моделями, представляющими собой материальную среду, масса которой непрерывно распределена по объему. Такая идеализация упрощает реальную систему и позволяет использовать для ее описания хорошо разработанный математические исчисления бесконечно малых и теорию непрерывных функций.

Теоретические результаты, подученные для гипотетической сплошной среды, тем лучше совпадут с результатами наблюдений, чем полнее и точнее учтены в ней свойства реальных жидкостей и газов. К сожалению, идеализацию среды во многих случаях не удается ограничить только допущением ее сплошности. Сложность изучаемых явлений заставляет отказываться от учета и некоторых других свойств реальных сред. В зависимости от тех свойств, которые приписываются гипотетической сплошной среде, получают различные ее модели.

Применяется модель идеальной жидкости, которая характерезуется6

- отсутствие вязкости;

- жидкость не сжимаемая.

Физические свойства жидкости.

Жидкость обладает рядом свойств:

Текучесть проявляется в том, что жидкость в обычных условиях не выдерживает сдвигающих и растягивающих напряжений. Данное свойство сближает жидкость с газами. В гидравлике различают сжимаемые и несжимаемые жидкости

Плотность среды , характеризующая массу в единице объёма

, (1.1)

где – масса тела, кг; - объём тела, м³.

Удельный вес – отношение веса тела к его объёму

, [ Н/м³ ] (1.2)

Вязкость -молекулярные движения в жидкостях обусловливают сопротивление этих сред сдвигающим усилиям.

Механизм возникновения силы сопротивления можно представить следующим образом. Слой жидкости, прилегающей к пластинке, прилипает к ней и движется вместе с пластинкой со скоростью . Вследствие молекулярных связей этот слой увлекает за собой следующий и т. д. Поскольку нижний слой примыкает к неподвижной пластинке, его скорость равна нулю. Таким образом, в жидкости возникает слоистое движение с некоторым распределением скоростей по высоте и =f(y). В рассматриваемом случае распределение скоростей линейное. Вследствие действия межмолекулярных связей между движущимися слоями жидкости возникают силы вязкости или внутреннего трения. Ньютон указал на те параметры, от которых зависит величина этой силы . Для рассматриваемого слоистого движения

(1.3)

 

где μ – динамический коэффициент вязкости; S – площадь соприкосновения слоев; – градиент скорости, являющийся показателем интенсивности изменения величины скорости по нормали к ее направлению.

(1. 4)

где t - касательное напряжение.

Касательное напряжение в жидкости зависит от относительного перемещения частиц.

Динамический коэффициент вязкости μ является основной количественной характеристикой вязкости жидкостей и газов.

Наряду с динамическим коэффициентом вязкости в гидрогазодинамике широко используют кинематический коэффициент вязкости ν, определяемый соотношением

, (1.5)

где – плотность жидкости.

Единицей измерения кинематического коэффициента вязкости служит м²/с.

Сжимаемость.

Количественно сжимаемость оценивается изотермическим коэффициентом сжимаемости:

, (1.6)

где – удельный объем, . Жидкости, в отличие от газов, обладают малой сжимаемостью. Коэффициент сжимаемости большинства жидкостей лежит в пределах (Н/м²)^-1. Для всех жидкостей он уменьшается с возрастанием давления и возрастает с повышением температуры.

Объем жидкостей и газов изменяется не только при изменении давления, но и при изменении температуры. Как правило, жидкости и газы расширяются с повышением температуры, а плотность их при этом уменьшается. Исключение составляет вода, плотность которой возрастает при повышении температуры от 0 до 4 °С и достигает максимума при 4 °С. Такая аномалия объясняется особенностями молекулярного строения воды.

Количественно изменение объема при изменении температуры и постоянном давлении оценивается коэффициентом теплового объемного расширения

. (1.7)

У жидкостей этот коэффициент зависит от температуры и давления, возрастая с повышением первой и уменьшаясь с увеличением второго.