Основные свойства жидкостей.

Историческая справка о развитии гидромеханики. Силы, действующие на жидкость. Основные свойства жидкостей. Вязкость жидкости. Реологические свойства и характеристики неньютоновских жидкостей.

Гидравлика- это прикладная наука, которая изучает законы равновесия и движения жидкости и разрабатывает на основе теории и эксперимента способы решения различных технических задач.

Возникла гидравлика в древнее время, для того чтобы объединить правила и опыт, связывающие движение воды в трубах.

Современная гидравлика применяется гораздо шире, в настоящее время трудно найти какую-либо отрасль техники, в которой бы так или иначе не применялись законы гидравлики; это и гидротехника и мелиорация ,водоснабжение и канализация, гидроэнергетика и водный транспорт, автомобильные и железные дороги, машиностроение, авиация и т.д.

Знание законов гидравлики совершенно необходимо для специалистов-нефтяников, поскольку все основные производственные процессы в нефтяной промышленности в той или иной форме связаны с использованием перемещения жидкостей (нефть, нефтепродукты, химические реагенты, вода, глинистый раствор) по различным гидравлическим системам.

Гидравлику подразделяют на две части: гидростатику и гидродинамику. В первой из них изучаются законы равновесия жидкостей, а во второй - законы их движения.

Гидравлика- наука древняя, зарождение отдельных представлений уходит корнями в глубокую древность- Египет, Рим, Вавилон, Греция, Китай, Месопотамия, Закавказье и Средняя Азия.

Первым научным трудом в области гидравлики можно считать трактат Архимеда « О плавающих телах» , появившийся за 250 лет до н.э.. В этом трактате изложены основы теории плавающих тел и остойчивости плавающего тела, приводится известный закон Архимеда. В древнем Риме был накоплен большой опыт в вопросах строительства водопроводов.

На протяжении последующих 15 веков гидравлика не получила существенного развития.

В период Возрождения в Италии гениальный человек Леонардо да Винчи занимался разработкой теорий плавания тел, истечения жидкости из отверстий, изучением водосливов, свободных струй, гидравлических машин, а также механизма движения воды в трубах, реках и каналах.

Во второй половине 15 и начале 16 в. Механика, являющаяся теоретической базой гидравлики, превращается в физическую науку.

В 1687 г. Ньютон высказал гипотезу о законе внутреннего трения в жидкостях.

В 17-18 в. крупнейшими учеными- механиками Эйлером, Бернули, Лагранжем были установлены основные законы и получены исходные уравнения гидромеханики.

Д. Бернули написал труд «Гидродинамика или записки о силах и движении жидкости», в этом труде он изложил эффективный метод изучения движения жидкости, ввел понятие «Гидродинамика», дал теоретическую основу уравнения для установившегося плавно изменяющегося движения, которое носит его имя, является одним из основных уравнений современной гидравлики.

На основе исследований Л.Эйлера возникла родственная гидравлике наука - теоретическая гидромеханика, изучающая законы движения жидкостей строгими методами математического анализа. Развитию теоретической гидромеханике способствовали работы Аламбера, Ж.

В развитии гидравлики большую роль сыграли труды Дарси, Вейсбаха и многих других ученых.

В нефтяной гидравлике фундаментальное значение имеют исследования В.Шухова по гидравлическому расчету магистральных нефтепроводов, Л.С.Лейбензана, И.Г. И.А.Чарного, Р.И.Щищенко, Мирзаджанзаде и т.д. Современная гидравлика- это наука, в которой теория и опыт взаимно обогащаются и дополняются. Гидравлика широко использует методы и результаты теоретической гидромеханики, поэтому в настоящее время различия в понятиях «гидравлика» и «гидромеханика» исчезло. По существу, это два направления одной и той же науки- «гидромеханики»: гидромеханика теоретическая и техническая (гидравлика).

Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты как твердого, так и газообразного состояния. Жидкие тела легко изменяют свою форму под действием незначительных сил. Различают жидкости капельные и газообразные. Капельные это жидкости, встречающиеся в природе и применяемые в технике: вода, нефть, бензин и т.д. Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление изменению объема и трудно поддаются сжатию, газообразные жидкости (газы) изменяют свой объем под влиянием указанных факторов в значительной степени. В гидравлике обычно изучают капельные жидкости.

Силы, действующие на жидкость.

В гидравлике жидкость рассматривается как совокупность материальных точек (частиц) в ограниченном объеме. Силы, действующие на ограниченный объем жидкости принято делить на внутренние и внешние. Внутренние - это силы взаимодействия между отдельными частицами рассматриваемого объема жидкости. Внешние силы делятся на поверхностные, приложенные к поверхностям, ограничивающим объемом жидкости (например, силы, действующие на свободную поверхность- это поверхность по которым жидкость граничит с другими жидкостями и газами, это может быть поверхность соприкосновения жидкости с воздухом в открытом сосуде) и на массовые или объемные, непрерывно распределенные по всему объему жидкости (например, силы тяжести, силы инерции).

В гидравлике как массовые, так и поверхностные силы обычно рассматриваются в виде единичных сил: массовые силы относят к единице массы, а поверхностные к единице площади. Единичная массовая сила численно равна соответствующему ускорению. Единичная поверхностная сила в общем случае раскладывается на составляющие: нормальное напряжение (его называют гидромеханическим давлением) и напряжение касательное.

Гидромеханическое давление представляет собой силу, отнесенную к площади, единицей измерения является (Ньютон / на квадратный метр) Н/ . Эту единицу называют паскалем (Па), называются килопаскалем и Па называется мегапаскалем (мПа).

Основные свойства жидкостей.

Одна из важнейших физических характеристик жидкостей ее плотность . Плотностью называется количество массы (m) жидкости, содержащиеся в единице объема (V).

В системе СИ плотность измеряется в килограммах на кубический метр (кг/ ).

Плотность весьма слабо изменяются с изменением давления и температуры.

Иногда, а гидравлике используют понятие относительной плотности - безразмерного числа, представляющего собой отношение плотности данной жидкости к наибольшей плотности воды, взятой при C.

Удельный вес.Удельным весом жидкости называют вес в единице ее объема V.

Поскольку вес тела G=mg

Удельный вес не является величиной постоянной, так как он зависит от ускорения силы тяжести, изменяющегося от места измерения. В обычных условиях изменение g незначительно, поэтому им часто пренебрегают и принимают g=9,81 м/ и используют при расчетах среднее значение удельного веса, соответствующее этому ускорению.

Удельный объем.Объем жидкости V, занимаемый единицей массы m, называют удельным и обозначают υ: υ=

Удельный объем есть величина, обратная плотности υ Единицей измерения является

Сжимаемость- обратимое изменение объема жидких тел под воздействием всестороннего давления. Сжимаемость жидкостей характеризуется коэффициентом сжимаемости , представляющим относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления ΔР.

Знак – означает, что положительному приращению давления Р соответствует отрицательное приращение объема V.

Коэффициент - сжимаемости измеряется в квадратных метрах на Ньютон ( ) .

Величина называется модулем объемной упругости, обозначается символом K, измеряется в . Модуль объемной упругости и коэффициент сжимаемости непостоянны, модуль упругости изменяется в зависимости от давления и температуры.

Температурное расширение.

Изменение объема жидкости в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения , выражающим относительное изменение объема жидкости при повышении ее температуры на .

,где V-первоначальный объем жидкости.

Единицей измерения коэффициента является Кельвин в минус первой степени или .