Лекция 2 Предмет изучения Понятие «ЖИДКОСТ Ь»

Жидкостью - это легкоподвижная среда, заполняющая объем без пустот и промежутков. Существует понятие: Реальная жедкость. Реальная жедкость. Идеальная жедкость. Идеальная жедкость. Капельная жедкость. Капельная жедкость. Неньютоновская жедкость. Неньютоновская жедкость. Виды жедкостей Реальная жедкость обладает тремя основными свойствами: текучесть, сжемаемость, вязкость. Идеальная жедкость не обладает внутренним трением, а также трением о стенки сосудов и трубопроводов, по которым она движется. Идеальная жедкость также обладает абсолютной несжемаемостью. Такая жедкость не существует в действительности, и была предложена для облегчения и упрощения ряда теоретических выводов и исследований Л.Эйлером. Капельная жедкость принимает форму предлагаемого сосуда и изменяет свой объем при изменении давления. Неньюто́невской же́дкостью называют жедкость, при течении которой её вязкость зависит от градиента скорости. Обычно такие жедкости сильно неоднородны и состоят из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры.

Основной отличительной особенностью капельных жедкостей является способность сжематься (изменять объем) под воздействием внешних сил. Капельные жедкости (в дальнейшем просто жедкости) трудно поддаются сжатию, а газообразные жедкости (газы) сжемаются довольно легко, т.е. при воздействии небольших усилий способны изменить свой объем в несколько раз Предмет изучения –капельная жедкость

Массовые: силы тяжести и инерции. Сила тяжести в действует на жедкость постоянно, а сила инерции только при сообщении объему жедкости ускорений (положетельных или отрицательных). Поверхностные: обусловлены воздействием соседних объемов жедкости на данный объем или воздействием других тел.

Рассмотрим сосуд, наполненный жедкостью. Если выделить в нем бесконечно малый объем жедкости, то на этот объем будут действовать силы со стороны соседних таких же бесконечно малых объемов Кроме этого на свободную поверхность жедкости действует сила атмосферного давления Pатм и силы со стороны стенок сосуда. Поверхностные силы

Если на жедкость действует какая-то внешняя сила, то говорят, что жедкость находится под давлением. Обычно для определения давления жедкости, вызванного воздействием на нее поверхностных сил, применяется формула (Н/м 2) или (Па), где F - сила, действующая на жедкость, Н (ньютоны); S - площадь, на которую действует эта сила, м² (кв.метры).

Если давление Р отсчитывают от абсолютного нуля, то его называют абсолютным давлением Рабс. Если давление отсчитывают от атмосферного, то оно называется избыточным Ризб. Атмосферное давление постоянно Ра и составляет Па Определение 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 = 10-3 к Па = 10-6 МПа. Размерность давления обозначается как "Па" (паскаль), "к Па" (килопаскаль), "МПа" (мегапаскаль). В технике в настоящее время продолжают применять систему единиц МКГСС, в которой за единицу давления принимается 1 кгс/м². 1 кгс/м² = 9,81 Па.

Свойства капельной жедкости Плотность. Плотность – это масса жедкости, заключенная в единице объема. В Международной системе единиц (СИ) она измеряется в кг/м 3. Для однородной жедкости Если жедкость неоднородна в объеме V, то эта формула позволяет вычислить лишь среднее значение плотности, а истинная плотность в какой-либо точке может быть определена как Если жедкость неоднородна в объеме V, то эта формула позволяет вычислить лишь среднее значение плотности, а истинная плотность в какой-либо точке может быть определена как Значения плотностей жедкостей возрастают при повышении давления. Например, плотность воды при температуре 0°С изменяется с ростом давления (от 0,1 до 400 МПа) от 999 до 1146 кг/м 3. С ростом температуры плотность жедкостей снижается. Исключением из этого правила является только вода в диапазоне температур от 0 до 4°С: ее плотность возрастает и достигает своего максимума (1000 кг/м 3) при t = 3,98°С. При дальнейшем нагреве ее плотность снижается как и у других жедкостей. Именно по этой причине температура воды на дне глубоких водоемов зимой всегда 4°С. При остывании воды до 4°С циркуляция воды в водоеме прекращается, что препятствует промерзанию его до дна. Значения плотностей жедкостей возрастают при повышении давления. Например, плотность воды при температуре 0°С изменяется с ростом давления (от 0,1 до 400 МПа) от 999 до 1146 кг/м 3. С ростом температуры плотность жедкостей снижается. Исключением из этого правила является только вода в диапазоне температур от 0 до 4°С: ее плотность возрастает и достигает своего максимума (1000 кг/м 3) при t = 3,98°С. При дальнейшем нагреве ее плотность снижается как и у других жедкостей. Именно по этой причине температура воды на дне глубоких водоемов зимой всегда 4°С. При остывании воды до 4°С циркуляция воды в водоеме прекращается, что препятствует промерзанию его до дна. Значения плотностей некоторых широко распространенных жедкостей при нормальных условиях (t = 20°С, p = 0,1 МПа): * вода – 998 кг/м 3; * ртуть – кг/м 3; * нефть натуральная – 760 – 900 кг/м 3; * масла минеральные – 850 – 930 кг/м 3; * бензин – 712 – 780 кг/м 3.

Свойства капельной жедкости Удельный объем. Удельный объем – это объем жедкости единичной массы, то есть величина, обратная плотности: Так уж сложелось исторически, что эта характеристика редко используется для капельных жедкостей, но очень широко применяется для газов. Удельный вес. Удельный вес – это вес жедкости единичного объема:. Относительная плотность. Относительная плотность – это отношение плотности жедкости к плотности дистиллированной воды при 4°С:. Так как rводы+4 = 1000 кг/м 3, то вычислять относительные плотности очень просто. Все указанные характеристики жедкостей практически характеризуют одно и то же свойство. Плотность жедкости можно вычислить по вышеприведенным формулам, а можно и измерить специальным прибором, называемым ареометром. Этот прибор похож на поплавок для рыбалки. Глубина его погружения зависит от плотности жедкости.

Свойства капельной жедкости Сжемаемость. Сжемаемость – это свойство жедкости изменять свой объем под действием давления. Сжемаемость характеризуется двумя величинами: коэффициентом объемного сжатия bp и объемным модулем упругости K. Коэффициент объемного сжатия – это относительное изменение объема жедкости, приходящееся на единицу давления Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется объемным модулем упругости Объемный модуль упругости несколько возрастает при повышении давления и немного снижается при росте температуры. Оценим сжемаемость капельных жедкостей. При атмосферном давлении для минеральных масел K » 1320 – 1720 МПа. При повышении давления на 10 МПа (приблизительно 100 ат) изменение объема минерального масла составит примерно 0,67%. По этой причине в гидравлике очень часто жедкость считают несжемаемой.

Свойства капельной жедкости Температурное расширение. Температурное расширение – это свойство жедкости изменять свой объем при изменении температуры. Характеризуется коэффициентом температурного расширения bT, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на 1 градус: Для воды коэффициент при увеличении температуры возрастает (при p = 0,1 МПа и изменении температуры от 0 до 100°С приблизительно от – 0, до +0,000720). Рост давления при низких температурах приводит к увеличению, а при температурах выше 50°С – к его снижению. Для большинства других капельных жедкостей с ростом давления уменьшается. Изменение объема при нагревании жедкостей весьма ощутимо, поэтому его необходимо учитывать при проектировании гидравлических устройств, в которых жедкость существенно нагревается.

Свойства капельной жедкости Капиллярность. На поверхности раздела жедкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать объему жедкости сферическую форму, но сила тяжести не позволяет сделать это, если жедкость находится в значительном объеме. Это явление заметно только, когда жедкость рассматривается в объеме капли или находится в тонком капилляре или зазоре. Силы поверхностного натяжения создают в жедкости дополнительное давление. В капиллярах и зазорах это давление вызывает подъем или опускание жедкости относительно нормального уровня. Это явление называется капиллярностью. Дополнительное давление направлено всегда к центру кривизны мениска. Если жедкость не смачивает поверхность капилляра, то мениск имеет выпуклую форму, и давление от сил поверхностного натяжения совпадает по направлению с атмосферным давлением – уровень жедкости в капилляре снижается. Если жедкость смачивает поверхность капилляра, то мениск имеет вогнутую форму, и дополнительное давление будет направлено вверх, навстречу атмосферному давлению. Как следствие этого – подъем жедкости по капилляру. Высота подъема (опускания) жедкости в стеклянной трубке вычисляется по формуле полусферического мениска. Например, для воды k = 30 мм 2; для спирта k = 11,5 мм 2; для ртути k = –10,1 мм 2. В жедкостных приборах для измерения давления применяют трубки диаметром 10 – 12 мм. В этом случае эффект капиллярности мало ощутим. В зазоре один из радиусов кривизны стремится к бесконечности, поэтому и дополнительное давление, и высота отклонения уровня получаются в 2 раза меньше, чем в капилляре.

Свойства капельной жедкости Вязкость. Вязкость – это свойство жедкости сопротивляться сдвигу ее слоев. При течении жедкости вдоль твердой стенки слои жедкости, прилегающие к ней, тормозятся силами трения между слоями. Из закона вязкого трения Ньютона следует, что касательные напряжения возможны только в движущейся жедкости. Если имеется градиент скорости еще и в направлении, нормальном плоскости рисунка, то следует записывать в формуле частную производную. Кроме коэффициента динамической вязкости, в технике широко используют коэффициент кинематической вязкости. В старой литературе можно встретить такие единицы измерения, как стоксы: 1 Ст = 1 см 2/с = 10-4 м 2/с. В старой литературе можно встретить такие единицы измерения, как стоксы: 1 Ст = 1 см 2/с = 10-4 м 2/с. С ростом температуры вязкость капельных жедкостей очень сильно падает (по экспоненте), а газов – растет по линейному закону. Например, при нагревании пресной воды от 0 до 100°С коэффициент кинематической вязкости падает от 1,79×10-6 до 0,29×10-6 м 2/с, то есть 6 с лишним раз. В этом же диапазоне температур вязкость минеральных масел изменяется в десятки и сотни раз. При отрицательных температурах вязкость масел резко возрастает. Измеряют вязкость специальными приборами, называемыми вискозиметрами. Принцип действия этих приборов состоит в сравнении времени истечения заданного количества испытуемой и эталонной жедкостей через капилляр.

Свойства капельной жедкости Испаряемость. Испаряемость присуща всем жедкостям, но в различной степени, причем она сильно зависит от условий, в которых находится жедкость. Одной из характеристик испаряемости является температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Но атмосферное давление – это лишь частный случай давления в гидросистеме, поэтому более полной характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров pн.п.. Чем выше pн.п, тем более летучая жедкость. С ростом температуры оно возрастает, но для разных жедкостей в различной степени. Поэтому даже сухой воздух в квартире зимой при контакте с предметом, занесенным с мороза, при остывании становится влажным, и из него конденсируются капельки воды. Это хорошо знают люди, носящие очки. Образование конденсата можно наблюдать на поверхности труб, по которым подается холодная вода, на оконных стеклах и т.п. Для многокомпонентных жедкостей (смесей) давление насыщенных паров зависит еще и от соотношения объемов паровой и жедкой фаз. Для них давление насыщенных паров тем больше, чем большая доля объема занята жедкостью. В справочниках для них приводятся значения pн.п. при соотношении объемов паровой и жедкой фаз 4:1. Растворимость газов в жедкостях. Растворимость газов в жедкостях характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жедкости. Эта величина увеличивается с ростом давления и различна для различных жедкостей. Например, при t = 20° C имеет следующие значения: – вода – 0,16; – минеральные масла » 0,08; – керосин – 0,127. При увеличении плотности и вязкости минерального масла растворимость газов немного снижается. С увеличением температуры коэффициент растворимости почти не меняется, но учитывать это малое влияние надо, когда жедкость работает в широком температурном диапазоне: насыщенная газом жедкость при одной температуре может начать выделять растворенный газ при другой температуре, что приведет к образованию пены, которая нарушает сплошность среды и может вызвать отказ привода. В обычном состоянии минеральное масло насыщается воздухом в течение нескольких часов, но если масло взбалтывается в баке, образуется пена. Площадь соприкосновения жедкости и воздуха возрастает во много раз. Это может вызвать насыщение жедкости газом в течение нескольких минут. При уменьшении давления газы из насыщенной жедкости начинают выделяться, причем делают это значительно быстрее, чем растворяются в ней. Выделиться газ может в считанные секунды или даже доли секунды.