Физико-механические свойства жидкости

Силы, действующие на жидкость. Давление в жидкости

На жидкость вследствие ее текучести действуют не сосредоточенные силы; а непрерывно распределенные. Они могyт быть распределены по массе жидкости, называемые массовыми силами, и по поверхности, называемые поверхностными силами.

Массовые силы пропорциональны массе жидкости. К ним относятся сила тяжести и сила инерции: G = mg; F = mа,

где m - масса жидкости; g - ускорение свободного падения; а - ускорение движения. Поверхностные силы пропорциональны площади поверхности. К ним относятся сила дав­ления и сила трения: Р = ps; R = τs,

где s - площадь поверхности; р - давление; τ - касательное напряжение.

Как массовые, так и поверхностные силы, обычно рассматривают в виде единичных сил, отнесенных соответственно к единице массы или к единице площади. Поэтому единичные массовые силы численно равны соответствующему ускорению, а единичная поверхностная сила раскладывается на две составляющих: нормальное и касательное напряжение. Нормальное напряжение называется давлением.

Если сила давления равномерно распределена по площади, то давление определяется по формуле: р = P / s. В общем случае р = lim dP / ds. Давление всегда направлено по нормали к поверхности. В системе СИ давление измеряется в паскалях:

[ р ] = Па = 1 н/м² = 10^-3 кПа = 10^-6 МПа.

Внесистемные ед. измерения давления: бар, техн. атмосфера, м.вод.ст., мм.рт.ст. и др.

1 бар = 10 ⁵ Па; 1 ат = 1 кгс/см² = 10 м.вод.ст.

Напряжение сжатия от действия всех внешних сил (поверхностных и массовых) называется абсолютным давлением.

В технике удобно отсчитывать давление от условного нуля, за который принимается атмосферное давление: р _атм = 101320 Па.

Разница между абсолютным и атмосферным давлениями называется избыточным давлением: р _и = р - р _атм.

Если абсолютное давление меньше атмосферного, то разница между ними называется вакуумом: р _В = р _атм - р. Величина вакуума не может быть больше атмосферного дав-ления.

Приборы для измерения давления - самостоятельно.

3.1. Плотность - это масса жидкости, заключенная в единице объема: r = m / V,

где m - масса жидкости; V - ее объем. [ r ] = кг/м³ (СИ).

Плотность - одна из основных механических характеристик жидкости.

3.2. Удельный вес - это вес единицы объема жидкости: γ = G / V,

где G - вес жидкости. [γ] = Н/м³ (СИ).

Плотность и удельный вес связаны между собой соотношением: γ = pg.

Рассмотрим основные физические свойства жидкостей.

3.3. Сжимаемость - это свойство жидкости изменять свой объем под действием давле­ния. Она характеризуется коэффициентом объемного сжатия β _р, который представляет собой относительное изменение объема при изменении давления на 1 Па и постоянной температуре: V = V ₁(1 - β _р ∆ p). [ β _р] = Па⁻¹.

Величина, обратная β _р, называется модулем упругости: К = 1/ β _р.

Тогда получаем зависимость ∆ V / V = - р / К - обобщенный закон Гука.

В большинстве случаев капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми, но при очень высоких давлениях сжимаемость жидкостей необходимо учитывать.

3.4. Температурное расширение - свойство жидкости изменять свой объем при измене­нии температуры. Оно характеризуется коэффициентом температурного расширения β _т, который представляет собой относительное изменение объема при изменении температуры на 1°С и постоянном давлении: V = V ₁(1 + β _т∆ Т). [ β _т ] = град⁻¹.

3.5. Поверхностное натяжение обусловлено силами взаимного притяжения молекул поверхностного слоя, стремящимися превратить поверхность в сферическую, что вызывает дополнительное давление в жидкости на величину р _пов= σ (1/ R ₁+ 1/ R ₂),

где σ - поверхностное натяжение, [ σ ] = Н/м; R ₁, R ₂- радиусы кривизны поверхности.

3.6. Вязкость - это свойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев. Вязкость - свойство, противоположное текучести.

При движении жидкости вдоль твердой стенки между ее слоями происходит проскальзывание, которое сопровождается возникновением касательных напряжений. Их величина определяется по закону жидкостного трения Ньютона:

где τ - касательное напряжение; μ - динамическая вязкость жидкости;

v - скорость движения жидкости; у - расстояние от стенки трубы.

В неподвижных и идеальных жидкостях τ = 0.

[ μ ] = Па×с (СИ) - паскаль-секунда; П = 0,1 Па×с – пуаз (СГС); 1сП =10⁻² П - сантипуаз.

Отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности называется кинематической (относительной) вязкостью: n = μ / r.

[ n ] = м²/с (СИ); Ст = см²/с = 1×10^-4 м²/с – стокс (СГС); 1сСт = 10^-2 Ст - сантистокс.

Вязкость капельных жидкостей уменьшается с увеличением t. Вязкость газов, наоборот, с увеличением t увеличивается. Это объясняется различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. В газах же вязкость обусловлена, главным образом, беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повышением t.

3.7. Испаряемость - свойственна всем капельным жидкостям, но интенсивность испарения у различных жидкостей неодинакова.

Одной из характеристик испаряемости является температура кипения при атмосферном давлении. Чем ниже t _кип , тем выше испаряемость.

Другой характеристикой испаряемости является давление насыщенного пара.

Давление насыщенного пара - это давление, при котором жидкость закипает при данной температуре. Чем больше р _нп, тем больше испаряемость.

3.8. Растворимость газов в жидкостях характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости. Она различна для разных жидкостей, изменяется с увеличением давления и характеризуется коэффициентом растворимости.

Физико-механические свойства жидкостей зависят от температуры и давления.

1.ГИДРОСТАТИКА

Дата добавления: 2014-01-04