Процессы сжатия и расширения газов подчиняются известным из физики законам Бойля – Мариотта и Гей – Люссака для идеальных газов

Для характеристики распределения массы в пространстве, заполненном жидкостью или газом, обычно пользуются величиной, называемой плотностью распределения массой или, чаще, плотностью.

Среднее значение плотности среды в некотором малом объеме определяется по отношению массы , заключенной в этом объеме, к самому объему :

.

Часто пользуются не средним значением плотности вещества в некотором объеме, а величиной плотности среды в данной точке M, в которой

.

При этом точка М при всегда остается внутри .

Иногда для характеристики распределения массы в пространстве применяют величину, обратную плотности, называемую удельным объемом .

.

Плотность движущейся среды зависит от температуры и давления, а последнее – от характера движения среды.

В общем случае плотность можно представить как функцию от координат и времени

.

В технике пользуются понятием удельного веса определяемым как отношение силы тяжести, действующей на объем жидкости к величине этого объема (сила тяжести F приходящаяся на единицу объема жидкости):

;

.

Размерность плотности:

.

Размерность удельного веса:

.

2.3. Сжимаемость

Способность жидкости или газа под действием внешнего давления изменять свой объем и, следовательно, плотность, называется сжимаемостью. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия (сжимаемости) b_с, м²/Н, представляющим относительное изменение объема жидкости V, м³, при изменении давления р, Па, на единицу:

.

Знак минус в формуле указывает, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия – модуль упругости жидкости:

.

При относительно невысоких давлениях сжимаемостью жидкостей пренебрегают. При значительных изменениях давления сжимаемость капельных жидкостей следует учитывать.

Вследствие большой сжимаемости газообразных жидкостей их плотность и удельный вес в значительной степени зависят от температуры и давления.

Сжимаемость воды весьма незначительна, при увеличении давления на 9,8 МПа (на 100 атмосфер) объем воды уменьшается на 1/20000 первоначального объема.

Условия работы гидротехнических сооружений позволяют считать воду несжимаемой средой. Но не следует забывать, что такое допущение правомерно лишь в тех случаях, когда изменения давления невелики.

2.4. Поверхностное натяжение (капиллярность)

Известно, что молекулы жидкости, находящиеся на границе с газом, твердым телом или между двумя несмешивающимися жидкостями, находятся под воздействием сил взаимного притяжения. Вследствие этого вся свободная поверхность жидкости находится в состоянии равномерного поверхностного натяжения s. Под влиянием поверхностного натяжения поверхность жидкости стремится принять форму, соответствующую наименьшей площади. Малые массы жидкости в воздухе стремятся к шарообразной форме, образуя капли.

Влияние поверхностного натяжения необходимо учитывать при изучении потоков с малой глубиной, при захвате окружающего воздуха движущейся жидкостью (аэрация жидкости), в капиллярах и т.д.

В трубках малого диаметра наблюдается подъем или опускание жидкости относительно нормального уровня, а также искривление свободной поверхности. Обратимся к рассмотрению жидкости в капиллярной трубке. Как видно из рис. 1.3, в районе примыкания поверхности жидкости к стенке трубки можем получить одну из следующих картин:

- если взаимное притяжение двух молекул жидкости велико по сравнению с притяжением молекул жидкости к частице твердой стенки, то получаем схему рис. 1.3, а (случай «несмачиваемой стенки»);

- если взаимное притяжение двух молекул жидкости мало по сравнению с притяжением молекул жидкости к частице твердой стенки, то получаем схему на рис. 1.3, б (случай «смачиваемой стенки»).

-

Рис. 4.1. «Несмачиваемая» (а) и «смачиваемая» (б) стенки

Высота подъема смачивающей жидкости (или опускание несмачивающей жидкости) в стеклянной трубке диаметром d определяется по формуле для полусферического мениска:

,

где k имеет следующие значения: для воды k = 30 мм²; для ртути
k = – 10,1 мм²; для спирта k = 11, 5 мм².

Величина напряжений на границе раздела зависит от температуры жидкости; при увеличении температуры внутренняя энергия молекул возрастает, уменьшается напряжение в пограничном слое жидкости и, следовательно, уменьшаются силы поверхностного натяжения.

2.5. Растворимость газов в капельных жидкостях

В реальных жидкостях всегда находится газ в растворенном состоянии. Это может быть воздух, азот, углеводородный газ, углекислота, сероводород и др. Наличие газа растворенного в жидкости может оказывать как благоприятное воздействие (снижается вязкость жидкости, плотность и т.д.), так и неблагоприятные факторы. Так при снижении давления из жидкости выделяется свободный газ, который может стать источником такого нежелательного явления как кавитация.

Количество газа, которое может раствориться в капельной жидкости, зависит от физико-химических свойств самой жидкости и растворяемого в ней газа, а также от температуры и давления. Максимальное количество газа, которое может быть растворено в данной жидкости носит название предельной газонасыщенности для данного газа SО. Естественно, что величины предельной газонасыщенности для разных газов будут разными. Другой характеристикой процесса растворения газа в жидкости является давление насыщенных паров р_н.п, это такое минимальное давление в жидкости, при котором достигается насыщение капельной жидкости газом. Известно, что р_н.п. зависит от температуры и с увеличением ее повышается.

Если давление в жидкости р опустится ниже давления насыщенных паров (р < р_н.п), то растворенные в жидкости газы начнут из нее выделяться в виде пузырьков.

2.6. Кипение и кавитация

Как известно из курса физики, при снижении давления в жидкости или при повышении ее температуры растворенные в воде газы начинают выделяться из отдельных элементарных объемов воды, причем в воде образуются разрывы (газовоздушные пузыри).

Предположим, что мы имеем некоторый объем воды, сплошность которого не нарушена. Обозначим давление в этой воде через р и температуру через t.

Представим себе далее, что в силу тех или иных причин температура начинает увеличиваться или давление уменьшаться. Очевидно, что в некоторый момент времени можем получить р < р_н.п. При таком соотношении в обычных условиях внутри рассматриваемого объема воды возникают пузырьки, заполненные «насыщенными парами» воды, происходит, как говорят «холодное кипение» воды. При этом мы получаем двухфазную систему (вода плюс пузырьки пара). Чтобы заставить эти пузырьки захлопнуться необходимо на достаточную величину или повысить давление р или понизить давление р_п.н. (за счет снижения температуры).

В случае появления в воде пузырьков пара различают два разных явления: кипение и кавитацию.

3. СЛОВАРЬ ПОНЯТИЙ

Плотностью называется величина, используемая для характеристики распределения массы в пространстве, заполненном жидкостью или газом.

Сжимаемостью называется способность жидкости или газа под действием внешнего давления изменять свой объем и, следовательно, плотность.

Кипением жидкости называется явление, когда пузырьки пара, появившиеся в жидкости всплывают и выходят из жидкости через ее свободную поверхность.

Кавитацией жидкости называется явление, когда пузырьки пара (или паровоздушные пузырьки), появившиеся в движущейся жидкости, не выходят из нее, а захлопываются внутри жидкости.

4. МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ

4.1. Материалы к лекции

Возможен следующий план лекции:

1. Вязкость жидкости. Формула Ньютона.

2. Плотность жидкости.

3. Сжимаемость.

4. Поверхностное натяжение (капиллярность).

5. Растворимость газов в капельных жидкостях.

6. Кипение и кавитация.

4.2. Задание к практическому занятию

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ
ВИСКОЗИМЕТРОМ ЭНГЛЕРА»

Цель работы:

1. Определить динамическую вязкость исследуемой жидкости с помощью вискозиметра Энглера.

2. Установить зависимость вязкости исследуемой жидкости от температуры.

Дата добавления: 2014-01-05