Поверхностное напряжение.

ЖИДКОСТЬ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА

Жидкостью в гидравлике называют физическое тело способное изменять свою форму при воздействии на нее сколь угодно малых сил.

Различают два вида жидкостей:

- жидкости капельные;

- жидкости газообразные.

Капельные жидкости представляют собой жидкости в обычном, общепринятом понимании этого слова (вода, нефть, керосин, масло и т.д.).

Газообразные жидкости – газы, в обычных условиях представляют собой газообразные вещества (воздух, кислород, азот, пропан и т.д.).

Рисунок 1.1 – Виды жидкостей

Основной отличительной особенностью капельных и газообразных жидкостей является способность сжиматься (изменять объем) под воздействием внешних сил. Капельные жидкости (в дальнейшем просто жидкости) трудно поддаются сжатию, а газообразные жидкости (газы) сжимаются довольно легко, т.е. при воздействии небольших усилий способны изменить свой объем в несколько раз.

Рисунок 1.2 – Сжатие жидкостей и газов

Основной механической характеристикой жидкости является ее плотность.

Плотностью ρназывают массу жидкости, заключенную в единице объема; для однородной жидкости имеем:

Единица измерения в СИ – кг/м³.

Иногда в справочниках приводится относительная плотность вещества.

Объемным или удельным весом называют вес единицы объема жидкости:

где G – вес жидкости;

W – объем жидкости.

Единица измерения в СИ – Н/м³.

Между плотностью и удельным весом существует следующая зависимость:

Коротко рассмотрим основные физические свойства капельных жидкостей:

1. Сжимаемость – свойство жидкости изменять свой объем под действием давления, характеризуется коэффициентом β_p объемного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема, приходящегося на единицу давления:

где ΔW – уменьшение объема при увеличении давления на Δp;

W₀ – первоначальный объем жидкости.

Единица измерения β_p – м²/Н (Па^-1).

Знак «–» в формуле указывает на то, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается.

Величина обратная коэффициенту объемного сжатия носит название объемный модуль упругости.

Единица измерения в СИ – Н/м² (Па).

Для капельных жидкостей модуль E несколько уменьшается с увеличением температуры и возрастает с повышением давления.

2. Температурное расширение жидкости характеризуется коэффициентом объемного расширения, представляющим собой относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на 1°С:

где Δt – изменение температуры жидкости.

Единица измерения °С^-1.

Поверхностное напряжение.

На поверхности жидкости действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление в жидкости. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых размерах и для сферических объемов (капель) определяется формулой:

где σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

r – радиус сферы.

В трубах малого диаметра это дополнительное давление вызывает подъем или опускание жидкости относительно нормального уровня. Это явление носит название капиллярности.

Вязкость.

Вязкостьюназывается свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению ее частиц. Вязкость жидкости обуславливает наличие сил внутреннего трения, возникающих при движении реальной жидкости.

Гипотеза Ньютона о внутреннем трении была подтверждена многочисленными опытами профессора Н.П. Петрова и стала, таким образом, законом внутреннего трения жидкости(сила внутреннего трения F, возникающая между двумя слоями движущейся прямолинейно жидкости, прямо пропорционально площади поверхности S соприкасающихся слоев, градиенту скорости , а также зависит от рода жидкости и температуры):

где F – сила внутреннего трения, возникающая между слоями жидкости при их относительном движении;

S – площадь соприкосновения трущихся слоев;

– градиент скорости, представляющий собой изменение скорости на единицу толщины слоя жидкости;

μ – динамический коэффициент вязкости (Па∙с).

Также применяют пуаз (П): 1П = 1 г/(см·с) = 1 дин·с/см² = 0,1 Па·с

Динамический коэффициент вязкости численно равен касательному напряжению τ при градиенте скорости

Знак «±» относится к и зависит от направления отсчета.

где τ – сила трения, приходящаяся на единицу площади (касательное напряжение).

Вязкость – есть свойство, противоположное текучести: более вязкие жидкости являются менее текучими и наоборот.

При течении потока вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью.

Рисунок 1.3

В инженерной практике используется и другая характеристика вязкости – кинематический коэффициент вязкости, который представляет собой отношение µ к плотности жидкости:

Размерность коэффициента кинематической вязкости м²/с.

Также применяют стокс (Ст) и сантистокс (сСт):

1 Ст = 1 см²/с = 10^-4 м²/с

1 сСт = 1 мм²/с = 10^-6 м²/с

Для определения вязкости применяют приборы, называемые вискозиметрами.