Гидравлика, гидрология и метеорология (стр. 4 )

В табл. 1.2 приведены значения кинематической вязкости пресной воды при различных температурах и нормальном атмосферном давлении.

Т а б л и ц а  1.2. Зависимость кинематической вязкости пресной воды

от температуры при ра = 0,1 МПа

t, єС	ν, мм2/с	t, єС	ν, мм2/с	t, єС	ν, мм2/с
0	1,79	12	1,24	30	0,80
2	1,67	14	1,18	35	0,72
4	1,57	16	1,12	40	0,65
6	1,47	18	1,06	45	0,60
8	1,39	20	1,01	50	0,55
10	1,31	25	0,90	60	0,48

При увеличении давления кинематическая вязкость жидкостей возрастает. Например, для минеральных масел при изменении давления от атмосферного до 40 МПа она увеличивается в 2 раза при 80єС и в  3 раза при 40єС. Влияние давления на вязкость воды проявляется в меньшей степени.

При наличии в воде значительного количества мелких (до 0,05 мм) взвешенных частиц кинематическая вязкость существенно увеличивается по сравнению с чистой водой. Это учитывается при исследовании движения такой воды в реках или каналах.

Вязкость жидкостей измеряют с помощью приборов – в и с к о з и - м е т р о в  различных типов и конструкций. Одна из разновидностей – капиллярный вискозиметр, принцип действия которого основан на том, что кинематическая вязкость жидкостей прямо пропорциональна времени протекания одинаковых объемов их через капилляр определенного диаметра. Для каждого вискозиметра в паспорте указывается его постоянная. Чтобы определить кинематическую вязкость данной жидкости при температуре t, необходимо постоянную вискозиметра умножить на время (с), в течение которого определенный объем этой жидкости перетечет от верхней метки до нижней.

Жидкости, для которых справедлив закон Ньютона (1.11), называются  н ь ю т о н о в с к и м и. Существуют жидкости (коллоидные суспензии, растворы полимеров, гидросмеси из глины, мела, цемента, сапропелей, илов, навоза, кормов для скота, отходов перерабатывающих производств и т. п.), которые не подчиняются этому закону, поэтому называются  н е н ь ю т о н о в с к и м и, или а н о м а л ь н ы м и. Для ряда из вышеуказанных гидросмесей справедлив закон Бингама (1916):

,                        (1.14)

где τ0 – начальное напряжение сдвига.

Такие жидкости называются  б и н г а м о в с к и м и, или  в я з к о - п л а с т и ч н ы м и. Их движение начинается после того, как внешней силой будет преодолено напряжение сдвига τ0 – касательное напряжение в состоянии покоя. Сведения по численным значениям τ0 и м этих жидкостей приведены в справочной литературе.

1.5. Термодинамические свойства жидкостей

Растворение газов. Все жидкости в той или иной мере поглощают и растворяют газы. Согласно закону Генри–Дальтона при давлениях до 30 МПа и постоянной температуре относительный объем Vг /Vж растворенного газа равен постоянной величине кр, называемой к о э ф ф и - ц и е н т о м  р а с т в о р и м о с т и; последний зависит от температуры и давления.

При температуре 20єС и атмосферном давлении в воде содержится 1,6% растворенного воздуха (кр = 0,016). С увеличением температуры от 0 до 30єС коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. В маслах при t = 20єС кр ≈ 0,08 – 0,10. Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание его в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50% выше, чем в атмосферном.

При понижении давления в какой-либо точке гидросистемы (например, во всасывающем трубопроводе насоса) из жидкости выделяется в виде мельчайших пузырьков определенный объем газа, при этом процесс выделения протекает интенсивнее, чем растворение. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

Парообразование – свойство капельных жидкостей изменять свое агрегатное состояние и превращаться в пар. Если оно происходит на поверхности жидкости, то называется  и с п а р е н и е м, если по всему объему ее, то называется  к и п е н и е м; последнее происходит при определенной температуре, зависящей от давления. Абсолютное давление, при котором жидкость закипает при данной температуре, называется  д а в л е н и е м  н а с ы щ е н н ы х  п а р о в  рн. п; его значения зависят от рода жидкости и ее температуры (для воды представлены в табл. 1.3).

Т а б л и ц а  1.3. Давление насыщенных паров воды при различных

температурах

t, єС	0	5	10	20	25	30	40	60	80	100
рн. п,кПа	0,6	0,9	1,2	2,4	3,2	4,3	7,5	20,2	48,2	103,3

Как видно из табл. 1.3, при низких значениях абсолютного давления (глубоком вакууме) возможно кипение даже холодной жидкости, которое называют «холодным кипением». В жидкости, из которой удален растворенный и нерастворенный в ней газ (или воздух), т. е. в дегазированной жидкости, кипение не возникает и при температуре, большей температуры кипения при данном давлении.

1.6. Поверхностное натяжение и капиллярность

Молекулы жидкости, находящиеся на границе с газом, твердым телом или между двумя несмешивающимися жидкостями, испытывают со стороны остальных молекул жидкости не уравновешенное извне воздействие. Поэтому на поверхности жидкости действуют силы натяжения, стремящиеся придать ей сферическую форму и вызывающие в ней дополнительное давление, которое можно определить по закону Лапласа:

р = σ (1/r1 + 1/r2),                        (1.15)

где σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;

r1, r2 – главные радиусы кривизны рассматриваемого элемента поверхности, м.

Коэффициент σ определяет величину энергии сил поверхностного натяжения, приходящуюся на единицу площади.

Если поверхность жидкости представляет собой сферическую поверхность или часть ее, то r1 = r2 = r, и тогда формула (1.15) принимает вид

р = 2σ / r.                                (1.16)

Коэффициент σ пропорционален плотности жидкости и находящейся над ней газовой среды и уменьшается при повышении температуры. Ниже приведены величины σ (Н/м) для некоторых жидкостей на границе с воздухом при температуре 20єС и давлении 0,1 МПа: для этилового спирта – 0,022; бензина – 0,023; керосина – 0,028; дизельного топлива – 0,029; сырой нефти – 0,024–0,038; смазочных масел – 0,035–0,038; глицерина – 0,065; воды – 0,073, ртути – 0,491.

Для ряда жидкостей коэффициент σ в зависимости от температуры можно вычислить по формуле

σ = σ0 – вt,                         (1.17)

где σ0 – коэффициент поверхностного натяжения при температуре 0єС;

в – коэффициент пропорциональности.

Для воды σ0 = 0,0756 Н/м, в = 0,00015 Н/(м ⋅ єС).

Давление р, определяемое по формулам (1.15) и (1.16), всегда направлено к центру кривизны поверхности. Наличием этого дополнительного давления объясняется явление капиллярности, проявляющееся в том, что в открытых трубках малого диаметра, погруженных одним концом в жидкость, последняя устанавливается выше уровня при вогнутом мениске или ниже его при выпуклом мениске. Вогнутый мениск образуется в том случае, если жидкость смачивает поверхность трубки (например, вода – стекло), а выпуклый мениск – если не смачивает (например, ртуть – стекло).

Высоту поднятия или опускания жидкости в капилляре можно определить по формуле

,                        (1.18)

где И – острый угол между касательной к свободной поверхности в точке пересечения ее со стенкой и самой стенкой капилляра;

d – диаметр капилляра.

Для чистой воды и стекла И ≈ 0є, для ртути и стекла И ≈ 50є.

Влияние поверхностного натяжения необходимо учитывать при распаде и распыле струй жидкости, при изучении потоков с малой глубиной, при захвате окружающего воздуха движущейся жидкостью (аэрация жидкости), при поднятии воды в капиллярах почв и грунтов. Высота капиллярного поднятия воды в грунтах изменяется от 0 (галечники) почти до 5 м (глины). При этом с увеличением минерализации воды высота капиллярного поднятия увеличивается.

1.7. Особые свойства воды

Существуют 36 различных комбинаций изотопов водорода и кислорода, образующих молекулы воды. В природной воде 99,7% – молекулы Н2О16, на долю остальных разновидностей  молекул воды приходится 0,3%.

Выше было отмечено, что плотность воды имеет максимальное значение при температуре 4єС. При понижении температуры она уменьшается. Поэтому конвекция в водоемах с пресной водой прекращается при 4єС; при этом в нижних слоях находится вода с большей плотностью, чем в верхних. При замерзании объем воды увеличивается примерно на 10%. Температура замерзания воды с увеличением давления до 19,6 МПа понижается, а затем повышается. Морская вода замерзает при температуре – 1,9єС. Вода в капиллярах в почве иногда может замерзать и при температуре + 4,4єС.