Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Основные свойства жидкостей

Факультет «Транспорта, нефти и газа»

Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»

Направление: 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Профиль: "Автомобильный сервис"

«Основные свойства жидкостей.»

(Заочное обучение)

Выполнил студент 2 курса

ЗСаб 190600

Липин А.А.

2013 г

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………….3

1. Основные физические свойства жидкостей……………………………………………4

2 Основы статики и динамики жидкости………………………………………………..16

2.1. Равновесное состояние жидкости и действующие силы…………………………...16

2.2. Условия действия поверхностных сил при равновесии жидкости………………..16

2.3. Гидростатическое давление в точке………………………………………………….17

Список использованной литературы……………………………………………………..18

Введение

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие, а к газообразным — все газы.

Гидравлика изучает капельные жидкости. При решении практических задач гидравлики часто пользуются понятием идеальной жидкости — несжимаемой среды, не обладающей внутренним трением между отдельными частицами.

1. Основные физические свойства жидкостей

Определение жидкости. Основные законы, используемые в механике жидкости, — те же, что и в механике твердых тел. Однако применение этих законов к задачам механики жидкости отличается некоторыми особенностями благодаря разнице между свойствами жидкостей и твердых тел. Поэтому изучение механики жидкости целесообразно начать c определения и оценки ее основных свойств.

Жидкости (в широком смысле слова) отличаются от твердых тел легкой подвижностью частиц. B то время как для изменения формы твердого тела к нему нужно приложить конечные, иногда очень большие, силы, изменение формы жидкости может происходить под действием даже самых малых сил. Так, жидкость течет под действием собственного веса, если для этого представляется возможность.

Жидкость, как и всякое физическое тело, имеет молекулярное строение, т. e. состоит из отдельных частиц — молекул, объем пустот между которыми во много раз превосходит объем самих молекул. Однако ввиду чрезвычайной малости не только самих молекул, но и расстояний между ними (по сравнению c объемами, рассматриваемыми при изучении равновесия и движения жидкости) в механике жидкости ее молекулярное строение не рассматривается; предполагается, что жидкость заполняет пространство сплошь, без образования каких бы то ни было пустот. Тем самым вместо самой жидкости изучается ее модель, обладающая свойством непрерывности (фиктивная сплошная среда — континуум). B этом состоит гипотеза o непрерывности или сплошности жидкой среды. Эта гипотеза упрощает исследование, так как позволяет рассматривать все механические характеристики жидкой среды (скорость, плотность, давление и т. д.) как функции координат точки в пространстве и во времени, причем в большинстве случаев эти функции предполагаются непрерывными и дифференцируемыми. Непрерывную модель жидкости можно применять до тех пор, пока в достаточно малых объемах жидкости содержится большое количество молекул.

Интересуясь, например вопросом, как велики в данной точке давление внутри жидкости или скорость ее движения, важно знать давление и скорость лишь в некотором весьма малом объеме, a не строго в данной геометрическом точке. Этот объем действительно может быть очень малым. Так, известно, что в 1∙10^-6 м³ воздуха находится 2,7∙10¹⁹ молекул.

Этот пример показывает, что, заменяя реальную жидкость ее моделью в виде непрерывной жидкой среды, мы действительно не делаем никакой ошибки до тех пор, пока не будем интересоваться движением молекул или состоянием жидкости внутри межмолекулярного пространства.

Жидкости c точки зрения механических свойств разделяются на два класса:

малосжимаемые (капельные);
сжимаемые (газообразные).

C позиций физики капельная жидкость значительно отличается от газа; c позиций механики жидкости различие между ними не так велико, и часто законы, справедливые для капельных жидкостей, могут быть приложены и к газам в случаях, когда сжимаемостью последних можно пренебречь (например, при расчeте вентиляционных каналов).

B связи с отсутствием специального термина, который обозначал бы жидкость в широком смысле слова, в дальнейшем будем использовать термины «капельная жидкость» (малосжимаемая), «сжимаемая жидкость» (газ) и «жидкость», применяя последний в широком смысле, охватывающем как капельную жидкость, так и газ (т.е. под жидкостью будем понимать всякую среду, обладающую свойством текучести).

Капельные жидкости обладают вполне определенным объемом, величина которого практически не изменяется под действием сил. Газы же, занимая все предоставляемое им пространство, могут значительно изменять объем, сжимаясь и расширяясь под действием сил. Таким образом, капельные жидкости легко изменяют форму (в отличие от твердых тел), но с трудом изменяют объем (в отличие от газов), а газы легко изменяют как объем, так и форму.

Основные свойства жидкостей, существенные при рассмотрении задач механики жидкости, — плотность и вязкость. В некоторых случаях (при образовании капель, течении тонких струй, образовании капиллярных волн и др.) имеет значение также поверхностное натяжение жидкостей.

Единицы измерения. Прежде чем перейти к изучению основных свойств жидкости, остановимся на единицах измерения, принятых в гидравлике и аэродинамике.

За основу принята Международная система единиц измерении СИ (наряду со внесистемными единицами), однако в инженерной практике теплогазоснабжения и вентиляции используется также система МКГСС, положенная в основу технических нормативных документов (ГОСТ, СНиП и т. д.) и каталожных данных, a в ряде случаев система СGS.

Основными единицами системы СИ являются единицы длины (метр, м), массы (килограмм, кг), времени (секунда, с), термодинамической температуры (кельвин, K).

Производные единицы системы СИ, употребляемые в гидравлике и аэродинамике, приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Производные единицы Международной системы СИ
Величина	Наименование	Обозначение
Объёмный расход	кубический метр в секунду	м³/с
Массовый расход	килограмм в секунду	кг/с
Скорость течения	метр в секунду	м/с
Ускорение	метр на секунду в квадрате	м/с²
Сила	ньютон	Н
Давление, напряжение, модуль упругости	паскаль (ньютон на квадратный метр)	Па (Н/м²)
Динамическая вязкость	паскаль-секунда (ньютон-секунда на квадратный метр)	Па∙с (Н∙с/м²)
Кинематическая вязкость	квадратный метр на секунду	м²/с
Плотность	килограмм на кубический метр	кг/м³
Удельный вес	ньютон на кубический метр	Н/м³
Работа, энергия	джоуль	Дж (Н∙м)
Мощность	ватт	Вт
Удельная газовая постоянная	джоуль на килограмм-градус	Дж/(кг∙К)

До сих пор широко используются в практике инженерных расчетов измерение давления (напоров) в технических атмосферах (ат), метрах водяного и миллиметрах ртутного столба (м вод. ст. и мм рт. ст.), измерение температуры в градусах Цельсия (°C), динамической вязкости в пуазах (П) и кинематической в стоксах (Ст), работы и энергии в киловатт-часах (кВт∙ч). Соотношения между наиболее употребительными единицами применяемых систем измерения приведены в тексте.

Плотность жидкостей. Плотностью жидкости ρ называется ее масса, заключенная в единице объема:

(1)

где М — масса жидкости в объеме W.

Плотность воды при 4° С ρ_в⁴=1000 кг/м³ (102 кгс∙с²/м⁴).

Если жидкость неоднородна, то формула (1) определяет лишь среднюю плотность жидкости. Для определения плотности в данной точке следует пользоваться формулой:

(2)

В практических приложениях о массе жидкости судят по ее весу. Вес жидкости, приходящийся на единицу объема, называется удельным весом:

(3)

где G - вес жидкости в объеме W.

Удельный вес воды при 4° С Н/м³(1000 кгс/м^з).

Если жидкость неоднородна, то формула (3) определяет лишь средний удельный вес жидкости. Для определения удельного веса жидкости в данной точке следует пользоваться формулой:

(4)

где ΔG — вес жидкости в объеме ΔW.

Плотность и удельный вес связаны между собой известным соотношением:

(5)

где g - ускорение свободного падения.

Относительным удельным весом жидкости (или относительным весом) δ называется отношение удельного веса данной жидкости к удельному весу воды при 4° С:

(6)

В отличие от удельного относительный удельный вес представляет собой безразмерную величину, численное значение которой не зависит от выбранной системы единиц измерения. Так, для пресной воды при 4 °С имеем: .

В табл. 2 в качестве примера приведены значении удельного веса и плотности некоторых капельных, а в табл. 3 — сжимаемых жидкостей (газов).

Таблица 2

Плотность ρ и удельный вес γ капельных жидкостей при 20° С
Жидкость	γ Н/м³	ρ кг/м³
Анилин	9270	1040
Бензол	8590-8630	876-880
Бензин авиационный	7250-7370	739-751
Вода пресная	9790	998,2
Вода морская	10010-10090	1002-1029
Глицерин безводный	12260	1250
Керосин	7770-8450	792-840
Масло касторовое	9520	970
Масло минеральное	8000-8750	877-892
Нефть	8340-9320	850-950
Ртуть	132900	13547
Спирт этиловый безводный	7440	789,3
Хлористый натрий (раствор)	10690	1200
Эфир этиловый	7010-7050	715-719

Таблица 3

Приближённые значения плотности ρ и удельного веса γ газов при давлении 740 мм рт. cт. и t=15° C
Газ	γ Н/м³	ρ кг/м³
Водород	0,81	0,08
Водяной пар	7,25	0,74
Окись углерода	11,3	1,15
Азот	11,3	1,15
Воздух	11,6	1,2
Кислород	12,8	1,3
Углекислота	17,6	1,8

Плотность, а следовательно, удельный и относительный удельный вес жидкостей меняются с изменением давления и температуры. Эта зависимость существенно различна для капельных жидкостей и газов.

Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия β_w, который представляет собой относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления:

(7)

где W— первоначальный объем жидкости;

ΔW— изменение этого объема при увеличении давления на величину Δр.

Коэффициент объемного сжатия в системе СИ имеет размерность Па^-1.

Знак минус в формуле (7) oбусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема жидкости.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости:

(8)

Коэффициент объемного сжатия капельных жидкостей мало меняется при изменении температуры и давления (см., например, табл. 4); в среднем для воды β_w=1/(2 10⁹) Па^-1 или 1/20000 см²/кгс.

Таблица 4

Значения коэффициента объёмного сжатия воды при разных температурах и давлениях
t, °C	при давлениях Па∙10⁴
t, °C	50	100	150	390	780
0	5,4	5,37	5,31	5,23	5,15
5	5,29	5,23	5,18	5,08	4,93
10	5,23	5,18	5,08	4,98	4,81
15	5,18	5,1	5,03	4,88	4,7
20	5,15	5,05	4,95	4,81	4,6

Таким образом, при повышении давления на 9,8∙10⁴ Па (1 ат) объем вод уменьшается на 1/20000 часть первоначальной величины. Коэффициент объемного сжатия для других капельных жидкостей имеет примерно тот же порядок. B подавляющем большинстве случаев, встречающихся в практической деятельности, изменения давления не достигают больших величин, и поэтому сжимаемостью воды можно пренебрегать, считая удельный вес и плотность, не зависящими от давления.

Прочность жидкости на разрыв при решении практических задач не учитывается.

Температурное расширение капельных жидкостей характеризуется коэффициентом температурного расширения β_t, выражающим относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на 1 град, т. e.:

(9)

где W — первоначальный объем жидкости;

ΔW — изменение этого объема при повышении температуры на величину ΔТ.

Коэффициент температурного расширения капельных жидкостей, как это видно из табл. 5, незначителен.

Таблица 5

Коэффициент температурного расширения воды
Давление Па∙10⁴	при температуре, °С
Давление Па∙10⁴	1-10	10-20	40-50	60-70	90-100
10	0,000014	0,00015	0,000422	0,000556	0,000719
980	0,000043	0,000165	0,000422	0,000548	0,000714
1960	0,000072	0,000183	0,000426	0,000539	-
4900	0,000149	0,000236	0,000429	0,000523	0,000661
8830	0,000229	0,000294	0,000437	0,000514	0,000621

Так, для воды при изменении температуры от 10 до 20°С и при давлении 10⁵ Па β_t=0.00015 1/град.

При значительных разностях температур влияние температуры на удельный вес в ряде случаев приходится учитывать.

Плотность и удельный вес капельных жидкостей, как это следует из предыдущих рассуждений, мало изменяются с изменением давления и температуры. Можно приближенно считать, что плотность не зависит от давления и определяется только температурой. Из выражений (9) и (1) можно найти приближенное соотношение для расчета изменения плотности капельных жидкостей с изменением температуры:

(10)

Значения коэффициента в (10) находятся из таблиц в пределах заданного интервала температур (см., например, табл. 5).

Способность жидкостей менять плотность (удельный вес) при изменении температуры широко используется для создания естественной циркуляции в котлах, отопительных системах, для удаления продуктов сгорания и т. д.

B табл. 6 приведены значения плотности воды при разных температурах.

Таблица 6

Зависимость плотности ρ, кинематической ν и динамической μ вязкости воды от температуры
Температура, °С	ρ, кг/м³	ν∙10⁴, м²/с	μ∙10³, Па∙с
0	999,9	0,0179	1,79
4	1000	0,0152	1,57
20	998	0,0101	1,01
40	992	0,0066	0,65
60	983	0,0048	0,48
80	972	0,0037	0,36
90	965	0,0033	0,31
99	959	0,0028	0,27

В отличие от капельных жидкостей газы характеризуются значительной сжимаемостью и высокими значениями коэффициента температурного расширения. Зависимость плотности газов от давления и температуры устанавливается уравнением состояния.

Наиболее простыми свойствами обладает газ, разреженный настолько, что взаимодействие между его молекулами может не учитываться — так называемый совершенный (идеальный) газ.

Для совершенных газов справедливо уравнение Клапейрона, пoзволяющее определять плотность газа при известных давлении и температуре:

(11)

где р — абсолютное давление;

R — удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящая от температуры и давления [для воздуха R=287 Дж/ (кг∙К) ] ;

Т — абсолютная температура.

Поведение реальных газов в условиях, далеких от сжижения, лишь незначительно отличается от поведения совершенных газов, и для них в широких пределах можно пользоваться уравнениями состояния совершенных газов.

В технических расчетах плотность газа обычно приводят к нормальным физическим условиям (t=0°; р=101 325 Па) или к стандартным условиям (t=20° С; р= 101325 Па).

Плотность воздуха при R=287 Дж/ (кг∙К) в стандартных условиях по формуле (11) будет равна ρ₀=101325/287/(273+20)=1.2 кг/м³.

Плотность воздуха при других условиях определяется по формуле:

(12)

На рис. 1 приведены определенные по этой формуле графики зависимости плотности воздуха от температуры при разных давлениях.

Рис. 1 Зависимость плотности воздуха от барометрического давления и температуры

Для изотермического процесса (T=const) из формулы (12) имеем:

(13)

для адиабатического процесса:

(14)

где k=с_p/с_ν — адиабатическая постоянная газа;

с_p - теплоемкость газа при постоянном давлении;

с_ν — то же, при постоянном объеме.

Сжимаемость газов зависит от характера процесса изменения состояния.

Для изотермического процесса:

(15)

для адиабатического процесса:

(16)

Из выражения (15) следует, что изотермическая сжимаемость для атмосферного воздуха составляет ~9,8∙10⁴ Па (около 1 ат), что примерно в 20 тыс. раз превышает сжимаемость воды.

Так как объем газа в большой мере зависит от температуры и давления, выводы, полученные при изучении капельных жидкостей, можно распространять на газы лишь в том случае, если в пределах рассматриваемого явления изменения давления и температуры незначительны. Значительные разности давлений, вызывающие существенное изменение плотности газов, могут возникнуть при их движении с большими скоростями. Соотношение между скоростью движения жидкости и скоростью звука в ней позволяет судить о необходимости учета сжимаемости в каждом конкретном случае. Практически газ можно принимать несжимаемым при скоростях движения, не превышающих 100 м/с.

Вязкость жидкостей. Вязкостью называется свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу. Все реальные жидкости обладают определенной вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных частиц жидкости. Наряду с легко подвижными жидкостями (например, водой, воздухом) существуют очень вязкие жидкости, сопротивление которых сдвигу весьма значительно (глицерин, тяжелые масла и др.). Таким образом, вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижности ее частиц.

Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными ей слоями (рис. 2), как это наблюдается при ламинарном движении. Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться c разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки.

Рис. 2 Распределение скоростей при течении жидкости вдоль твёрдой стенки

Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиеся на расстоянии Δу друг от друга. Слой A движется со скоростью u, a слой В — со скоростью u+Δu. Вследствие разности скоростей за единицу времени слой В сдвигается относительно слоя А на величину Δu. Величина Δu является абсолютным сдвигом слоя A по слою В, а Δu/Δy есть градиент скорости (относительный сдвиг). Появляющееся при этом движении касательное напряжение (сила трения на единицу площади) обозначим через . Тогда аналогично явлению сдвига в твердых телах мы получим следующую зависимость между напряжением и деформацией:

(17)

Или, если слои будут находиться бесконечно близко друг к другу,

(18)

Величина µ, аналогичная коэффициенту сдвига в твердых телах и характеризующая сопротивляемость жидкости сдвигу, называется динамической или абсолютной вязкостью. На существование соотношения (18) первое указание имеется у Ньютона, и потому оно называется законом трения Ньютона.

В международной системе единиц динамическая вязкость выражается в H∙с/м² или Па∙c.

В технической системе единиц динамическая вязкость имеет размерность кгс∙с∙м^-2. B системе CGS за единицу динамической вязкости принимается пуаз (П) в память французского врача Пуазейля, исследовавшего законы движения крови в сосудах человеческого тела, равный 1 г∙см^-1∙с^-1; 1 Па∙с=0,102 кгс∙с/м²=10 П.

Вязкость жидкостей в сильной степени зависит от температуры; при этом вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, вязкость газов возрастает.

Это объясняется тем, что природа вязкости капельных жидкостей и газов различна. B газах средняя скорость (интенсивность) теплового движения молекул c повышением температуры возрастает, следовательно, возрастает вязкость. B капельных жидкостях молекулы не могут двигаться, как в газе, по всем направлениям, они могут лишь колебаться возле своего среднего положения. C повышением температуры средние скорости колебательных движений молекул увеличиваются, благодаря чему легче преодолеваются удерживающие их связи, и жидкость приобретает большую подвижность (ее вязкость уменьшается).

Так, для чистой пресной воды зависимость динамической вязкости от температуры опpеделяется по формуле Пуазейля:

(19)

где µ - абсолютная (динамическая) вязкость жидкости в П;

t - температура в ° С.

С увеличением температуры от 0 до 100° С вязкость воды уменьшается почти в 7 раз (см. табл. 6). При температуре 20°C динамическая вязкость воды равна 0,001 Па∙с=0,01 П.

Вода принадлежит к наименее вязким жидкостям. Лишь немногие из практически используемых жидкостей (например, эфир и спирт) обладают несколько меньшей вязкостью, чем вода. Наименьшую вязкость имеет жидкая углекислота (в 50 раз меньше вязкости воды). Все жидкие масла обладают значительно более высокой вязкостью, чем вода (касторовое масло при температуре 20° С имеет вязкость в 1000 раз большую, чем вода при той же температуре). B табл. 1.7 приведены значения вязкости некоторых жидкостей.

Таблица 7

Кинематическая и динамическая вязкость капельных жидкостей (при t=20° C)
Жидкость	μ, Па∙с	ν∙10⁴, м²/с
Вода пресная	0,00101	0,01012
Глицерин безводный	0,512	4,1
Керосин (при 15° C)	0,0016-0,0025	0,02-0,03
Бензин (при 15° C)	0,0006-0,00065	0,0083-0,0093
Масло касторовое	0,972	10,02
Масло минеральное	0,0275-1,29	0,313-14,5
Нефть при 15° C	0,007-0,008	0,081-0,093
Ртуть	0,0015	0,00111
Спирт этиловый безводный	0,00116	0,0151

Для определения величины динамической вязкости воздуха в системе МКГСС применяется формула Милликена:

(20)

что дает при t=15° С =1,82∙10^-6 кгс∙с/м²(~1,82∙10^-5 Па∙с). Динамическая вязкость других газов имеет примерно тот же порядок величины.

Наряду с понятием абсолютной или динамической вязкости в гидравлике находит применение понятие кинeматической вязкости; представляющей собой отношение абсолютной вязкости к плотности жидкости:

Основные свойства жидкостей 📙 Реферат → 🆔 181265