Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


ќсновные физические свойства жидкости

√Ћј¬ј I. ‘»«»„≈— »≈ —¬ќ…—“¬ј ∆»ƒ ќ—“≈…

 

—труктура жидкости

 

— точки зрени€ физики все тела дел€тс€ на твердые, жидкие и газообразные. ∆идкости Ц промежуточна€ фаза между твердыми телами и газами. ѕри низких температурах и малых удельных объемах свойства жидкостей близки к свойствам твердых тел. ј при высокой температуре и большом удельном объеме жидкости имеют свойства, близкие к свойствам газов.

¬ твердых кристаллических телах молекулы расположены на определенных рассто€ни€х друг от друга, образу€ кристаллическую решетку. “епловые колебани€ молекулы совершают около устойчивых положений, этим объ€сн€етс€ то, что твердые тела сохран€ют форму и объем.

¬ газах межмолекул€рные рассто€ни€ велики, силы прит€жени€ малы.  ажда€ молекула практически не испытывает действи€ св€зей с другими молекулами (исключа€ моменты столкновени€). ћодель газа, при которой отсутствуют силы прит€жени€ между молекулами, называют совершенным газом.

∆идкости по молекул€рному строению занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и газами. — точки зрени€ молекул€рного строени€, тепловые движени€ молекул жидкости представл€ют собой колебани€ около некоторых центров. ≈сли кинетическа€ энерги€ отдельных молекул оказываетс€ достаточной дл€ преодолени€ межмолекул€рных св€зей, то такие молекулы скачком измен€ют свое положение, переход€ в другой центр колебаний. “о есть некоторое врем€, называемое Ђвременем оседлой жизниї, молекула находитс€ в одной упор€доченной структуре, а, совершив переход, оказываетс€ среди нового окружени€, никак не предопределенного прежним положением. »менно непрерывно и в большом количестве совершающиес€ скачкообразные переходы молекул с места на место и обусловливают такое свойство жидкостей, как текучесть.

»так, основное свойство жидкой среды Ц текучесть, т. е. легка€ подвижность частиц, способность неограниченно деформироватьс€ и приходить в движение под действием малых сил. »менно благодар€ текучести жидкость приобретает любую форму, предоставленную ей в пространстве, без нарушени€ своей структуры.

ѕри приложении к жидкости сдвигающей силы хаотические скачки молекул приобретают преимущественную направленность, и возникает течение в направлении действи€ силы.

≈сли врем€ действи€ силы t с много больше времени Ђоседлой жизниї молекулы жидкости t т, то при действии этой силы происходит необратима€ деформаци€ жидкого тела и, следовательно, тело ведет себ€ как текуча€ среда. ≈сли t c << t т, то тело ведет себ€ как твердое. ≈стественно, что с ростом температуры амплитуды теплового колебательного движени€ возрастают, молекулам легче переместитьс€ из одного положени€ в другое, t т уменьшаетс€ и среда становитс€ более текучей.

¬ случае газообразного состо€ни€ вещества отсутствие межмолекул€рных св€зей обусловливает не только текучесть, но и сжимаемость газа. «аметим, что в упор€доченных структурах Ц твердых и жидких телах Ц сжимаемость практически отсутствует.

ƒл€ упрощени€ изучени€ жидкостей в гидравлике их молекул€рное строение и движение молекул не рассматриваютс€. ¬ рамках гидравлики жидкость представл€етс€ непрерывной сплошной средой, в которой нет разрывов и пустот.

√ипотеза о сплошности жидкой среды была введена в науку ∆.ƒаламбером и Ћ.Ёйлером в XVIII веке. ».Ќьютон представл€л себе жидкость состо€щей Ђиз равных частиц, свободно расположенных на равных рассто€ни€хї. Ќо всегда линейные размеры тех Ђчастицї жидкости (элементарных объемов), которые мы рассматриваем в рамках гидравлики при выводе закономерностей течени€, значительно больше, чем длина свободного пробега молекул жидкости. Ёто и есть условие сплошности жидкости, при выполнении которого жидкость можно считать средой без разрывов и пустот.

— точки зрени€ механических свойств, жидкости и газы имеют много общего. ’арактер поведени€ и законы, описывающие состо€ние и движение среды, дл€ жидкостей и газов во многих случа€х одинаковы. ќсобенностью жидкостей €вл€етс€ мала€ сжимаемость, т. е. незначительное изменение объема при изменении температуры и давлени€. ѕоэтому собственно жидкости называют капельными или несжимаемыми. —жимаемые среды Ц это газообразные тела.

ƒл€ механики жидкости наиболее интересны и существенны те свойства, которые св€заны с про€влением инерции, в€зкости и сжимаемости. »ногда учитывают теплоемкость, теплопроводность, объемное тепловое расширение.

‘изические свойства реальных жидкостей характеризуютс€ следующими основными физическими характеристиками:

Ј плотностью,

Ј сжимаемостью,

Ј в€зкостью,

Ј температурным расширением,

Ј поверхностным нат€жением.

ќсновные физические свойства жидкости

 

ѕлотность

 

¬ рамках гипотезы сплошности считаетс€, что масса жидкости распределена в объеме занимаемого ею пространства непрерывно и в общем случае неравномерно.

ѕлотность Ц это масса единицы объема жидкости, т. е. величина, характеризующа€ распределение массы тела в пространстве, зан€том жидкостью.

„исленно плотность однородной среды определ€етс€ как

,

где m Ц масса жидкости, заключенна€ в объеме V.

≈сли среда неоднородна, плотность жидкости в какой-либо точке определ€етс€ предельным переходом:

,

где Δ m Ц масса малого объема жидкости Δ V, содержащего рассматриваемую точку.

≈диница измерени€ плотности в —» , в технической системе Ц к√Јс24.

Ќар€ду с плотностью, в гидравлике широко используетс€ пон€тие объемного веса.

ќбъемный вес жидкости Ц это вес единицы объема жидкости.

,

где G Ц вес однородной жидкости в объеме V, а Δ G Ц вес жидкости в малом объеме Δ V.

≈диницы измерени€ объемного веса в —» Ц Ќ/м3, в технической системе Ц к√/м3, √/см3 и т. д.

—в€зь плотности и объемного веса просто устанавливаетс€ из второго закона Ќьютона, записанного дл€ силы т€жести:

 

—жимаемость

 

—жимаемость жидкости Ц это свойство измен€ть свой объем под действием внешнего давлени€. —жимаемость характеризуетс€ коэффициентом объемной сжимаемости, который представл€ет собой изменение объема жидкости на единицу изменени€ давлени€, отнесенное к единице объема (относительное изменение объема):

где V Ц первоначальный объем жидкости, dV Ц изменение объема жидкости при увеличении давлени€ на величину dp.

 оэффициент объемной сжимаемости измер€етс€ в —» в м2/Ќ (1/ѕа), в технической системе Ц в см2/к√, м2/к√.

«нак Ђминусї в формуле дл€ коэффициента объемной сжимаемости обусловлен тем, что положительному приращению давлени€ соответствует уменьшение, т. е. отрицательное приращение, объема жидкости.

¬ жидкост€х велико внутримолекул€рное давление, поэтому сжимаемость их очень мала. Ќапример, дл€ воды при не очень больших давлени€х коэффициент объемной сжимаемости

ѕоэтому в гидравлике жидкости рассматриваютс€ как несжимаемые.

¬еличина, обратна€ коэффициенту объемной сжимаемости, называетс€ модулем объемной упругости жидкости,

 

“емпературное расширение

 

“емпературное расширение жидкости Ц это изменение объема при изменении температуры. ≈го характеризуют коэффициентом температурного расширени€:

где V Ц первоначальный объем жидкости, dT Ц изменение температуры.

≈диница измерени€ коэффициента температурного расширени€ Ц

 оэффициент температурного расширени€ дл€ жидкости Ц это относительное увеличение объема жидкости при повышении температуры на 1∞— и посто€нном давлении. ƒл€ капельных жидкостей небольша€ величина. ќна мен€етс€ в зависимости от диапазона температуры и давлени€. Ќапример, дл€ воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 10Ц20 º— коэффициент βT = 0,00015

 

ѕоверхностное нат€жение

 

—илы прит€жени€ молекул внутри объема жидкости взаимно уравновешиваютс€ и про€вл€ютс€ только на границах Ц на твердых стенках, на свободной поверхности. Ќа свободной поверхности из-за того, что сила прит€жени€ со стороны молекул воздуха значительно меньше, чем сила взаимного прит€жени€ молекул жидкости, по€вл€етс€ результирующа€ сила, направленна€ внутрь объема. ћолекулы поверхностного сло€ наход€тс€ в особом напр€женном состо€нии, образуетс€ как бы тонка€ упруга€ пленка, возникает поверхностное нат€жение.

¬еличина поверхностного нат€жени€ характеризуетс€ коэффициентом поверхностного нат€жени€ σ.  оэффициент поверхностного нат€жени€ Ц это сила, действующа€ на единицу длины линии раздела сред и направленна€ по касательной к поверхности жидкости.

≈диница измерени€ поверхностного нат€жени€ в —» [ σ ]= Ќ/м, в технической системе Ц к√/м.

¬еличина коэффициента поверхностного нат€жени€ жидкостей небольша€. Ќапример, дл€ воды при температуре “ = + 20 º— оно составл€ет около 7 √/м. »менно поэтому силы поверхностного нат€жени€ в гидравлике обычно не учитываютс€.

ћолекул€рное давление, определ€ющее величину поверхностного нат€жени€, зависит от кривизны поверхности раздела жидкой и газообразной сред. ќно становитс€ заметным только при малых размерах объемов жидкости, например, в капилл€рных трубках. »менно благодар€ поверхностному нат€жению, жидкость, смачивающа€ поверхность стенок капилл€рных трубок, образует вогнутый мениск и подт€гиваетс€ вверх: силы сцеплени€ между молекулами твердой поверхности стенок и молекулами жидкости выше молекул€рных сил взаимодействи€ внутри жидкости. ¬ случае несмачиваемой поверхности в капилл€рной трубке устанавливаетс€ выпуклый мениск, и жидкость в трубке опускаетс€: силы взаимодействи€ между стенкой и жидкостью меньше внутренних сил взаимодействи€ в жидкости.

 

¬€зкость

 

ќчень важным дл€ гидравлики физическим свойством жидкости €вл€етс€ в€зкость Ц свойство жидкости оказывать сопротивление движению слоев жидкости относительно друг друга.

¬следствие молекул€рного взаимодействи€ в жидкости возникают силы внутреннего трени€: слой, движущийс€ быстрее, увлекает за собой слой, движущийс€ медленнее, а тот, в свою очередь, тормозит слой, движущийс€ быстрее. “аким образом, в€зкость про€вл€етс€ в виде возникновени€ силы трени€ при перемещении (сдвиге) слоев жидкости относительно друг друга. ƒругими словами, в€зкость Ц это свойство, обусловливающее возникновение в жидкости при ее движении касательных напр€жений.

».Ќьютон предложил гипотезу о том, что сила F в€зкости (трени€) между двум€ соседними сло€ми жидкости с площадью соприкасани€ ω равна

«десь μ Ц коэффициент динамической в€зкости;

Ц поперечный градиент скорости движени€ жидкости;

Ц скорость смещени€ слоев жидкости относительно друг друга;

Ц рассто€ние между ос€ми соседних слоев жидкости.

«нак Ђминусї в формуле указывает на то, что сила трени€ направлена противоположно направлению движени€.

–азмерность коэффициента динамической в€зкости в —» [ μ ] = ЌЈс/м2 (ѕа∙с), в технической системе Ц к√Јс/м2.

 оэффициент динамической в€зкости (динамическа€ в€зкость) зависит от природы жидкости и температуры. — повышением температуры жидкости коэффициент в€зкости μ уменьшаетс€; например, при t = +5 º— коэффициент μ = 0,0015 к√Јс/м2, а при t = +55 º— μ = 0,0005 к√Јс/м2.

≈сли силу трени€ между сло€ми отнести к площади соприкосновени€ слоев, то полученна€ удельна€ сила трени€ называетс€ касательным напр€жением:

.

Ќар€ду с коэффициентом динамической в€зкости, в гидравлике широко используетс€ коэффициент кинематической в€зкости ν, представл€ющий отношение μ к плотности ρ:

,

который имеет размерность в —» и технической системе . ƒо 1980 года допускалось измерение кинематической в€зкости в стоксах: 1 —т = 1 см2/с.

¬€зкость играет очень важную роль в процессе движени€ жидкостей. ¬ природе мало жидкостей, в€зкость которых меньше, чем в€зкость воды, но существует много жидкостей с большой в€зкостью (масла, нефть), есть очень в€зкие жидкости (глицерин, патока).

 

»деальна€ жидкость. ¬ гидравлике часто используетс€ и большую роль играет пон€тие Ђидеальнойї жидкости.

ѕод идеальной жидкостью понимаетс€ жидкость, частицы которой обладают абсолютной подвижностью, т. е. идеальна€ жидкость не имеет в€зкости, не испытывает температурного расширени€ и абсолютно несжимаема. ¬ведение в рассмотрение подобной научной абстракции вместо реальной жидкости упрощает решение р€да гидравлических задач, позвол€ет широко использовать математические методы, проводить обобщени€ и аналогии. “акой подход научно обоснован и €вл€етс€ полезным и плодотворным.  онечно, при применении получаемых дл€ идеальной жидкости решений и выводов в конкретных обсто€тельствах приходитс€ вносить необходимые поправки и дополнени€, которые следуют из практики и учитывают реальные услови€. ќднако, как показал опыт, получаемые таким образом картины течени€ достаточно хорошо согласуютс€ с реальными процессами.

 

∆идкости в гидромашинах

ѕри движении жидкостей в гидромашинах (объемных и лопастных насосах, турбинах), гидропередачах и гидроприводе существенное вли€ние на процессы начинают оказывать некоторые специфические свойства жидкостей и процессы, не играющие большой роли в открытых потоках и течени€х в трубах.

 

»спарение

 

»спарением называетс€ процесс парообразовани€ (переход молекул жидкости в пар), происход€щий со свободной поверхности жидкости.

≈сли жидкость, имеюща€ свободную поверхность, находитс€ в закрытом резервуаре, то с течением времени число молекул жидкости, переход€щих в пар, может сравн€тьс€ с числом молекул, возвратившихс€ в жидкость. ¬ этом случае пар становитс€ насыщенным. ”становившеес€ в нем давление называетс€ давлением насыщенного пара.

“аким образом, давление насыщенного пара Ц это установившеес€ при данной температуре давление пара, наход€щегос€ в термодинамическом равновесии с жидкостью. „ем выше давление насыщенного пара при данной температуре, тем больше испар€емость жидкости. ƒавление насыщенного пара повышаетс€ с увеличением температуры.

≈сли внешнее давление на поверхности жидкости станет равным давлению насыщенного пара, жидкость закипит. —оответствующа€ этому процессу температура называетс€ температурой кипени€.  аждому значению температуры соответствует давление, при котором жидкость закипает: при низком давлении температура кипени€ низка€, при повышении давлени€ температура кипени€ также растет.

 

–астворимость газов

 

–астворимость Ц это свойство газов образовывать с капельными жидкост€ми растворы.  оличественно она характеризуетс€ коэффициентом растворимости k, который представл€ет собой отношение объема газа V г, растворенного при температуре 0 ∞— и атмосферном давлении, в жидкости объемом V ж:

.

ќбъем газа, который растворитс€ в капельной жидкости до полного насыщени€, определитс€ выражением

,

где p 1 и p 2 Ц соответственно начальное и конечное давление на границе раздела жидкости и газа.

»з последней формулы видно, что количество растворенного газа зависит от давлени€: при повышении абсолютного давлени€ объем растворенного газа увеличиваетс€, а при снижении давлени€ происходит выделение растворенного воздуха из жидкости. Ёти закономерности следует учитывать при разработке и проектировании гидросистем. ¬ыдел€ющийс€ из масла воздух способствует окислению масла, снижает производительность насосов. ѕри низких давлени€х выдел€ющийс€ воздух не позвол€ет пренебрегать сжимаемостью рабочей среды.

 оэффициент растворимости зависит также от свойств жидкости и газа. –астворимость до насыщени€ воздуха в масле пр€мо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна плотности масла.

 

 авитаци€

 

ѕри движении жидкости в полост€х сложной конфигурации (повороты, сужени€ с последующим расширением) в ней могут возникать участки, где давление, снижа€сь, достигает некоторого критического значени€. ѕри понижении давлени€ жидкость закипает или из нее выдел€ютс€ растворенные газы. ¬ жидкости возникают парогазовые пузырьки.  авитаци€ Ц это нарушение сплошности жидкости, образование в ней пузырьков, заполненных насыщенным паром этой жидкости и выделившимис€ из жидкости растворенными газами. ƒвига€сь с потоком жидкости, пузырьки попадают в область с более высоким давлением. «десь пар конденсируетс€, и полости замыкаютс€, схлопываютс€. ѕроисходит мгновенное повышение давлени€, своего рода гидравлический удар. ѕри этом по объему жидкости распростран€етс€ ударна€ волна.

ƒавление, при котором возникают €влени€ кавитации, зависит от физических свойств жидкости и, в зависимости от ее состо€ни€, может измен€тьс€ в существенных пределах.

 ак правило, кавитаци€ €вл€етс€ нежелательным €влением. ѕри кавитации происходит разрушение поверхностей, на которых возникают кавитационные пузырьки. —хлопывание кавитационных пузырьков приводит к механическим повреждени€м, выщербливанию материала стенок канала. ¬озникновение кавитационных зон мен€ет геометрию потока в каналах гидравлических машин, что приводит к увеличению сопротивлени€ протоков и трубопроводов, резкому снижению коэффициента полезного действи€ гидромашин.

 

ќблитераци€

 

ѕри протекании жидкостей в узких щел€х, зазорах и проходных отверсти€х вследствие адсорбции (отложени€) пол€рноактивных молекул жидкости на твердых стенках часть приграничного сло€ жидкости прилипает к поверхности. ѕроисходит заращивание проходного сечени€ отверстий. “акое €вление получило название облитерации. ќблитераци€ может оказывать существенное негативное вли€ние на режим работы гидромашин, так как способствует быстрому уменьшению расхода жидкости, ухудшает характеристики регулирующих и управл€ющих устройств.



<== предыдуща€ лекци€ | следующа€ лекци€ ==>
–асстановка по алфавиту в —писке использованной литературы | ƒействующа€ судебна€ система –Ѕ
ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-12-28; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 18487 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ќаука Ч это организованные знани€, мудрость Ч это организованна€ жизнь. © »ммануил  ант
==> читать все изречени€...

529 - | 454 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.042 с.