Жидкость и её физические свойства

Жидкости – это физические тела, легко изменяющие свою форму под действием самой незначительной величины силы.

В отличие от твёрдых тел:

1) у жидкости силы межмолекулярного сцепления меньше, поэтому она характеризуются весьма большой подвижностью своих частиц и, поэтому, обладает способностью принимать форму сосуда, в который она налита;

2) все жидкости обладают малой сжимаемостью.

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием – жидкость, ибо законы движения жидкостей и газов (паров) практически одинаковы, если их скорости значительно ниже скорости звука.

При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие:

идеальная жидкость – абсолютно несжимаема под действием давления, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью;

реальная жидкость – это вязкая жидкость.

Реальные жидкости делятся на:

капельная жидкость – практически несжимаема и обладает очень малым коэффициентом объёмного расширения (образует капли);

упругая жидкость – это газы и пары, объём упругих жидкостей сильно изменяется при изменении температуры или давления (в обычном состоянии капель не образуют).

В гидравлике рассматриваются только капельные жидкости, то есть жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова, встречающиеся в природе и применяемые в технике (вода, нефть, керосин и т.д.)

Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление изменению объёма и трудно поддаются сжатию. При изменении давления и температуры их объём изменяется незначительно.

Капельные жидкости практически не оказывают заметного сопротивления растягивающим усилиям, но оказывают существенное сопротивление сдвигающим силам.

Силы, действующие на ограниченный объём жидкости, делятся на:

1) внутренние – силы взаимодействия между отдельными частицами рассматриваемого объёма жидкости;

2) внешние:

а) поверхностные – приложенные к поверхностям, ограничивающим объём жидкости (силы, действующие на свободные поверхности, силы реакции стенок и дна сосудов);

б) объёмные – непрерывно распределяемые по всему объёму жидкости (например, сила тяжести).

Различают следующие основные свойства жидкостей:

1. Плотность – масса единицы объема:

, .

Плотности обычных капельных жидкостей (исключение - ртуть) близки к плотности воды и весьма слабо изменяются с изменением давления и температуры.

С увеличением температуры плотность жидкости, как правило, уменьшается.

Относительная плотность – это безразмерное число, представляющее собой отношение плотности данной жидкости к плотности дистиллированной воды, взятой при 4˚ С.

2. Удельный вес – это вес единицы объёма жидкости

.

Удельный вес называется объёмным весом жидкости или удельной силой тяжести, в СИ.

Поскольку масса и вес связаны соотношением

,

где g, - ускорение свободного падения,

то и

.

Удельный вес не является величиной постоянной (справочной), так как он зависит от ускорения силы тяжести, которое изменяется, как известно, в зависимости от места измерения.

Изменение удельного веса капельных жидкостей в зависимости от температуры тождественно изменению их плотности – с увеличением температуры удельный вес уменьшается.

Относительный удельный вес (аналогично понятию относительной плотности) – это безразмерное число, представляющее собой отношение удельного веса данной жидкости к наибольшему удельному весу дистиллированной воды при 4˚ С.

Газообразные жидкости по сравнению с капельными обладают значительно меньшим удельным весом и подвержены большим изменениям в зависимости от давления и температуры.

Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга.

Свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение её частиц, называется вязкостью.

Представим два параллельных слоя жидкости площадью F каждый

Вышерасположенный слой движется со скоростью (W + dW), большей, чем скорость расположенного ниже слоя – (W) на бесконечно малую величину.

Опыт показывает, что касательная сила Т, которую надо приложить для сдвига, тем больше, чем больше градиент скорости , характеризующий изменение скорости, приходящийся на единицу расстояния между слоями.

Кроме того, сила Т пропорциональна площади соприкосновения F слоёв. Следовательно

, (1)

где μ – коэффициент пропорциональности.

Возникающая внутри жидкости сила сопротивления равна приложенной силе Т и направлена в противоположную сторону.

- отношение этой силы к поверхности соприкосновения слоёв называется напряжением внутреннего трения или напряжением сдвига или касательным напряжением.

(2)

- это есть (в такой форме) закон внутреннего трения Ньютона: “напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при её течении, прямо пропорциональна градиенту скорости”.

Знак “-“ указывает на то, что касательное напряжение тормозит слой, движущийся с относительно большей скоростью.

μ - коэффициент пропорциональности называется динамическим коэффициентом вязкости или динамической вязкостью, в СИ.

- кинематический коэффициент вязкости, .

Вязкость капельных жидкостей колеблется в широких пределах и значительно снижается с возрастанием температуры, вязкость газов наоборот, увеличивается с её повышением.

Значения вязкостей капельных жидкостей приводятся в справочной литературе.

В диапазоне малых давлений (до 100 ат) вязкость капельных жидкостей меняется незначительно, и им в большинстве случаев пренебрегают. При больших давлениях изменение вязкости для некоторых капельных жидкостей (например, для некоторых видов масел) является весьма значительным.

Жидкости чаще всего подчиняются закону внутреннего трения Ньютона (см. формулу 2). Такие жидкости называют нормальными или ньютоновскими.

Однако в промышленной практике приходится иметь дело и с неньютоновскими (бингемовскими) жидкостями, обладающими аномальными свойствами. Не следуют закону Ньютона растворы многих полимеров, коллоидные растворы, густые суспензии, пасты и др.

Особенность неньютоновских жидкостей была подмечена Бингемом (1916 г.) и она состоит в отличии от обычных (ньютоновских) наличием сил трения и в состоянии покоя, что препятствует переходу жидкости в движение до определённого напряжённого состояния.

Вискозиметры – приборы для измерения вязкости.

Существует несколько систем вискозиметров, у нас в России применяются вискозиметры системы Энглер, применяемой для определения вязкости капельных жидкостей, вязкость которых выше вязкости воды.

Он представляет собой:

1 - металлический (латунный) цилиндр со сферическим дном, к которому припаяна латунная цилиндрическая трубка (2); 3 – водяная ванна; 4 – коническая платиновая трубочка, вставленная в цилиндрическую трубку с отверстием ø 3 мм, закрываемая пробкой стерженьком 5; 6 – газовая горелка.

Жидкость, вязкость которой подлежит исследованию, наливается в цилиндр (1) в количестве 200 см³ (отверстие в платиновой трубочке закрыто).

При помощи газовой горелки (6) и водяной ванны (3) в цилиндре (1) должна поддерживаться температура, контролируемая двумя термометрами (t₁ и t₂).

После того, как будет достигнута необходимая температура, открывается отверстие (5) и определяют время опорожнения цилиндра (1), то есть время вытекания 200 см³ исследуемой жидкости – τ₁.

Затем определяют время τ₂, в течение которого из цилиндра (1) вытечет 200 см³ дистиллированной воды при температуре 20 ˚С (это время составляет ~50 с).

Отношение называется градусом Энглера.

Для перехода от вязкости жидкости, выраженной в градусах Энглера, к кинематическому коэффициенту вязкости пользуются эмпирической формулой

,

где - динамический коэффициент вязкости.