1 Основные физические свойства жидкости

 

1 Основные физические свойства жидкости

 

Гидравлика - наука, изучающая законы покоя и движения жидкости и методы применения этих законов в решении практических задач.

Гидравлика состоит из двух разделов: гидростатики, изучающей законы равновесия жидкости, и гидродинамики, изучающей законы движения жидкости. В гидростатике рассматривают силы, действующие на погруженные тела и стенки сосудов, а также плавание твердых тел; в гидродинамике - течение жидкостей в руслах и сооружениях.

Законы гидравлики широко применяют при решении различных технических задач при проектировании плотин, гидроэлектростанций, судоходных шлюзов, каналов, портов, набережных, сооружений для водоснабжения и канализации, отверстий искусственных сооружений и т. д. Их используют при проектировании водоотвода, определении скорости движения воды в водоотводных сооружениях, при назначении размеров канав, труб, необходимых для пропуска воды.

Гидрология занимается изучением законов формирования стока поверхностных вод в логах, пониженных местах, реках. Законы гидрологии дают возможность оценить водные запасы отдельных рек, определить значения максимальных и минимальных расходов воды, установить прогнозы гидрологических режимов реки, повторяемость паводков.

Гидрометрия является частью гидрологии и занимается измерением различных характеристик водных потоков и водоемов (глубин, скоростей течения, расхода воды). Из-за климатических и погодных условий данные характеристики постоянно изменяются, поэтому гидрометрия предусматривает проведение систематических наблюдений за режимом водотоков. Знание законов гидрометрии необходимо для проектирования мостовых переходов через большие реки.

В природе различают четыре состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

Жидкостью в гидравлике называют физическое тело, легко изменяющее свою форму под действием незначительных сил. Существуют два вида жидкостей: капельные и газообразные. В данном разделе изучают капельные жидкости. Жидкость обладает большой подвижностью своих частиц и поэтому имеет свойства текучести и способность принимать форму сосуда, в который она налита. Текучестью жидкости называется ее состояние, при котором отсутствует сила трения между частицами за счет малого сцепления.

Cвойства жидкости: плотность, сжимаемость, удельный вес, вязкость.

Плотность (р) жидкости - отношение массы m жидкости к ее объему V.

Определение плотности жидкости можно производить непосредственно взвешиванием, а также и использованием закона Архимеда, применив ареометр.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, т. е. изменением объема под влиянием внешних сил. Сжимаемость жидкостей очень мала, и в расчетах принимают, что жидкость несжимаема.

Удельный вес (γ) жидкости - отношение веса жидкости G к ее объему V.

Свойство жидкостей оказывать сопротивление касательным силам, стремящимся сдвинуть одни частицы по отношению к другим, называется вязкостью. При решении теоретических задач гидравлики жидкость представляют в виде идеальной среды, в которой отсутствует вязкость.

Определение науки «Гидравлика». структура курса, его связь с другими дисциплинами. История развития гидравлики. Теоретические и экспериментальные методы изучения гидравлики, применение математического аппарата, законов физики и механики. Понятие идеальной и реальной жидкости. Плотность, сжимаемость, температурное расширение, вязкость, капиллярные свойства жидко­сти. Кипение и кавитация.

«Гидравлика» в переводе с греческого означает - учение о движении воды в трубах (хюдер - вода, аулос - труба). Именно под таким названием преподается курс механики жидкостей (или гидромеханики) студентам технических инженерных специальностей, когда основное внимание уделяется практическому использованию законов гидростатики и гидродинамики. В случае же, когда требуется подготовка специа­листов для углубленного изучения процессов деформации сплошной жилкой среды с применением методов математического анализа, дисциплин или соответствующую науку называют «Гидромеханикой».

История развития гидравлики уходит в глубокою древность. Началом ее развития явился трактат Архимеда (237-212 гг. до н.э.) «О плавающих телах». По истечении семнадцати веков Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) составил трактат «О движении и измерении воды», опубликованный через 400 с лиш­ним лет после его смерти.

В последующие годы на развитие гидравлики большое влияние оказали труды  Стевина (1548-1620 гг.), Галилея (1564-1642 гг.), Торичелли (1608-1647 гг.), Паскаля (623-1662 гг.), Ньютона (1642-1727 гг.). Именно тогда были открыты «Закон о передаче давления Паскаля» и «Закон истечения жидко­стей из отверстий Торичелли», сформулирована гипотеза о внутреннем трении в жидкостях Ньютоном.

Основоположниками математической трактовки законов гидравлики (гидромеханики) по праву считаются академики Петербургской академии наук (1711-1765 п.). Д. Бернулли (1700-1782 гг.) и Л. Эйлер (1707-1783 гг.). Последние - швейцарцы по происхождению - были приглашены в Петербургскую академию наук в 1733 и 1 742 годах соответственно.

Бурное развитие гидравлики, как и всех естественных наук, произошло во второй половине XIX ве­ка. Здесь особо следует отметить работы Д.И Менделеева (1834-1907 гг.) «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», опубликованной в 1X80 г., ( 1836-1920гг.) «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости» (1883 г.), а также работы (1847-1921 гг.). (1884-1937 гг.), (1879-1951 гг.), которые легли в основу существующим теоретическим по­ложениям по гидрогеодинамике.

Большой вклад в развитие гидравлики внесли такие выдающиеся ученые, как . НА. Замарин. ИИ. Леви, р.Р. Чугаев, , . . . и многие другие. Среди отечественных гидравликов, внесших значительный вклад в теоретическое развитие науки, так и практическое использование ее законов особо следует отметить Р,Ж. Жулаева. . Л.Е . Тажибаева, . К. Шайпитенова и др.

В природе различают четыре агрегатных состояния вещества, а именно: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Основное отличие жидкостей от твердых тел заключается в том, что они обладают т е к у ч е с т ь ю — малым сцеплением частиц, от­сутствием сил трения между частицами в состоянии покоя, вследст­вие чего жидкость легко принимает форму сосуда, в который она по­мещена. В сосудах жидкость образует свободную поверхность; если жидкость налита на плоскость, то она растекается по ней в виде тон­кой пленки.

Газ также обладает свойством легкой подвижности частиц, теку­честью, но в отличие от жидкости он сжимаем, не образует свободной поверхности и занимает весь свободный объем. Текучесть частиц жид­кости и газа объединяет их под общим наименованием жидкости в широком смысле, при этом жидкости — капельные жидкости, газы — газообразные жидкости. Объектом изучения в гидравлике являются капельные жидкости, тогда как газы изучаются термодинамикой, аэродинамикой и т. п. Наиболее распространенной в природе жидко­стью является вода.

При изучении общих закономерностей с целью упрощения задачи часто жидкость представляют в виде идеальной среды, абсолютно нес­жимаемой и лишенной сил внутреннего трения. Такую жидкость называ­ют и д е а л ь н о й . В гидравлике учитывают физические свойства реальной жидкости. Реальные жидкости малосжимаемы, и по этим свойствам они приближаются к идеальной жидкости, но обладают силами внутреннего трения, проявляющимися в движении. Этим они существенно отличаются от идеальной жидкости. П л о т н о с т ь — отношение массы тела /И к объ­ему V:

  (1.1)

Плотность выражается в килограммах на кубический метр (кг/'м3).

Определение плотности жидкости можно произво­дить как непосредственным взвешиванием ее, так и с использованием закона Архимеда, для чего применяют а р е о м е т р (рис.1.1). Ареометр погружается в жид­кость и плавает в ней. Чем больше плотность жидкости, тем меньше трубка ареометра погружается в нее.

На шкале трубки указана плотность жидкости.

Плотность жидкости зависит от температуры (табл. 1.6).

 Таблица 1.1. - Зависимость плотности воды от температуры

t, 0С	σ, кг/м2	t,°С	σ, кг/м2	t,°С	σ, кг/м2
0	0,99987	20	0,99826	70	0,97794
3	0,99999	30	0,99576	80	0,97194
4	1,00000	40	0,99235	90	0,96556
5	0,99999	50	0,98820	100	0,95865
10	0,99975	60	0,98338

 

У д е л ь н ы й в е с жидкости — отношение веса жидкости к ее объему:

(1.2)

В качестве единицы удельного веса принимают Н/м3. Удельный вес — векторная величина. Он не является параметром вещества, его значение зависит от ускорения свободного падения, принимаемого обычно равным 9,81 м/с2, в пункте определения. Удельный вес равен произведению плотности на ускорение свободного падения:

(1.3)

Расширение жидкости при нагревании характеризуется т е м п е ­р а т у р н ы м к о э ф ф и ц и е н т о м о б ъ е м н о г о р а с ш и ­р е н и я βt, выражающим относительное изменение объема жидкости при изменении ее температуры на один градус:

(1.4)

где Vt 2 — объем жидкости при температуре t2; Vt 1 — объем жидкости при температуре t1.. Температурный коэффициент выражается в гра­дусах Цельсия в минус первой степени (°С –1).

В табл. 1.7 приведены значения температурного коэффициента объемного расширения для воды в зависимости от изменения темпера­туры и внешнего давления.

Таблица.1.2 .Температурный коэффициент объемного расширения βt для воды.

Давление р,Па	βt при температуре, 0С
0 – 10	10 – 20	40 – 50	60 – 70	90 – 100
105	0,000014	0,000150	0,000422	0,000556	0,000719
107	0,000043	0,000165	0,000422	0,000548	0,000700

С ж и м а е м о с т ь ж и д к о с т и характеризуется модулем сжимаемости βV, представляющим собой относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу изменения давления:

Сжимаемость выражается в паскалях в минус первой степени (Па–1 ). При гидравлических расчетах пользуются и обратной величиной, именуемой м о д у л е м у п р у г о с т и, Еж = 1/βV. Для воды в обычных условиях Еж = 2,1 ·109 Па.

В я з к о с т ь является чрезвычайно важным свойством реаль­ной жидкости, проявляющимся при ее движении. При перемещении одних слоев жидкости относительно других между ними возникают силы трения. В результате этого, например, слои, движущиеся с боль­шей скоростью, будут увлекать за собой соседние слои жидкости. Свойство жидкостей оказывать сопротивление касательным силам, стремящимся сдвинуть один частицы по отношению к другим, и на­зывается вязкостью.

Д и н а м и ч е с к а я в я з к о с т ь μ — сила трения, прихо­дящаяся на единицу площади соприкасающихся слоев жидкости при градиенте скорости, равном единице.

Динамическая вязкость μ в системе СИ выражается в паскаль-секундах (Па·с). Ранее динамическую вязкость измеряли пуазами (П), численно 1П = 0,1 Па·с. И. Ньютон (1642—1727) выдвинул гипотезу о силе трения между отдельными слоями жидкости, согласно которой сила внутреннего трения в жидкости не зависит от давления, пропорциональна площа­ди соприкосновения слоев, относительной скорости движения слоев и зависит от рода жидкости. Математически эта гипотеза была обо­снована — основоположником гидродинамической теории смазки. Им дана формула для определения касательного на­пряжения

(1.5)

где dv/dn — градиент скорости, т. е. отношение приращения скорости на границах слоя жидкости к его толщине.

В расчетах широко используется понятие к и н е м а т и ч е с к а я в я з к о с т ь. Она представляет собой отношение динамической вязкости к плотности жидкости: . Единица кинематической вяз­кости v в системе СИ –м2/с. Ранее кинематическая вязкость изме­рялась в стоксах (Ст); 1 Ст = 1 см2/с.

Текучесть жидкости одновременно характеризует и ее вязкость: чем подвижнее жидкость, тем она менее вязка. Вязкость жидкости существенно зависит от температуры и измеряется вискозиметрами (рис.1.2).

Принцип работы вискозиметра: заливают в сосуд 5 200 мл иссле­дуемой жидкости, затем с помощью электрической спирали 4 и водя­ной бани 6 подогревают ее до температуры 20 °С, по термометрам / и 2 следят за температурой жидкости. Приподняв запорную иглу 3, определяют время истечения исследуемой жидкости через калибро­ванное отверстие 8 в емкость 7.

Кинематическая вязкость, м2/с, воды при атмосферном давлении определяется по формуле Пуазейля

(1.6.)

В табл. 1.3 даны значения кинематической вязкости v воды в за­висимости от температуры.

Таблица 1.8. Значения кинематической вязкости v воды

t, 0С	υ, м2/с·10 – 4	t, 0С	υ, м2/с·10 – 4	t, 0С	υ, м2/с·10 – 4
0	0,0178	20	0,0101	60	0,0045
5	0,0152	30	0,0081	70	0,0042
10	0,0131	40	0,0066	80	0,0035
12	0,0124	50	0,0055	90	0,00 2
15	0,0114

 

Значения кинематической вязкости, м2/с, ряда жидкостей при t.= 15 °С:

Бензин	…………….	0,0083— 0,0093-10-1	Глицерин	……………	41∙10– 4
Керосин	…………….	0,020— 0,030∙10– 4	Мазут	……………	22—25∙10– 4
Нефть	…………….	0,081— 0,093∙10– 4	Патока	……………	600∙10– 4
Машинное масло	…………….	0,40— 1,40∙10– 4

Из физики известно, что вся свободная поверхность жидкости на­ходится в состоянии равномерного поверхностного натяжения, ха­рактеризуемого к о э ф ф и ц и е н т о м п о в е р х н о с т н о г о н а т я ж е н и я σ, равным для воды 0,0726 Н/м при 20 °С.

Влиянием поверхностного натяжения обычно пренебрегают, од­нако в трубках малого диаметра не считаться с ним нельзя, так как именно силой поверхностного натяжения объясняется капиллярное поднятие или опускание жидкости. В узких сосудах жидкость подни­мается на высоту

h = 2σ / (pgr),

где σ — коэффициент поверхностного натяжения; r — радиус ка­пилляра.

С м а з ы в а ю щ а я с п о с о б н о с т ь — свойство жидкости понижать трение между контактирующими твердыми поверхностями путем образования пленки определенной толщины. Так, при толщине пленки 0,0007 мм и более коэффициент трения между твердыми по­верхностями уменьшается в десятки раз.

В с п е н и в а е м о с т ь — способность жидкости образовывать пену при больших скоростях движения, что вредно отражается на ра­боте гидросистем. Вспениваемость зависит от вязкости, поверхност­ного натяжения, а также от времени эксплуатации, окисления и за­грязнения жидкости.

Э м у л ь г и р у е м о с т ь — способность жидкости образовы­вать с капельками воды мелкодисперсную систему, ухудшающую сма­зочные свойства жидкости и вызывающую коррозию.

С т о й к о с т ь к в о с п л а м е н е н и ю характеризуется температурой вспышки смеси паров масла с окружающим воздухом.