Основные свойства жидкостей

Факультет «Транспорта, нефти и  газа»

 

Кафедра «Гидромеханика и транспортные машины»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Направление: 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»

Профиль: "Автомобильный  сервис"

 

 

 

 

 

 

«Основные свойства жидкостей.»

 

(Заочное обучение)

 

 

 

 

                                                                                               Выполнил студент 2 курса

                                                                                               ЗСаб 190600

                                                                                               Липин А.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2013 г

Содержание

 

 

Введение…………………………………………………………………………………….3

 

1. Основные физические  свойства жидкостей……………………………………………4

 

2 Основы статики и динамики  жидкости………………………………………………..16

2.1. Равновесное  состояние жидкости и действующие  силы…………………………...16

2.2. Условия действия поверхностных  сил при равновесии жидкости………………..16

2.3. Гидростатическое  давление в точке………………………………………………….17

 

Список использованной литературы……………………………………………………..18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

     В отличие  от твердого тела жидкость  характеризуется малым сцеплением  между частицами, вследствие чего  она обладает текучестью и  принимает форму сосуда, в который  ее помещают.

     Жидкости подразделяют  на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают  большим сопротивлением сжатию (практически  несжимаемы) и малым сопротивлением  касательным и растягивающим  усилиям (из-за незначительного  сцепления частиц и малых сил  трения между частицами). Газообразные  жидкости характеризуются почти  полным отсутствием сопротивления  сжатию. К капельным жидкостям  относятся вода, бензин, керосин,  нефть, ртуть и другие, а к  газообразным — все газы.

     Гидравлика  изучает капельные жидкости. При  решении практических задач гидравлики  часто пользуются понятием идеальной  жидкости — несжимаемой среды,  не обладающей внутренним трением  между отдельными частицами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Основные физические свойства жидкостей

 

Определение жидкости. Основные законы, используемые в механике жидкости, — те же, что и в механике твердых тел. Однако применение этих законов к задачам механики жидкости отличается некоторыми особенностями благодаря разнице между свойствами жидкостей и твердых тел. Поэтому изучение механики жидкости целесообразно начать c определения и оценки ее основных свойств.

Жидкости (в широком смысле слова) отличаются от твердых тел легкой подвижностью частиц. B то время как для изменения  формы твердого тела к нему нужно  приложить конечные, иногда очень  большие, силы, изменение формы жидкости может происходить под действием  даже самых малых сил. Так, жидкость течет под действием собственного веса, если для этого представляется возможность.

Жидкость, как и всякое физическое тело, имеет  молекулярное строение, т. e. состоит из отдельных частиц — молекул, объем пустот между которыми во много раз превосходит объем самих молекул. Однако ввиду чрезвычайной малости не только самих молекул, но и расстояний между ними (по сравнению c объемами, рассматриваемыми при изучении равновесия и движения жидкости) в механике жидкости ее молекулярное строение не рассматривается; предполагается, что жидкость заполняет пространство сплошь, без образования каких бы то ни было пустот. Тем самым вместо самой жидкости изучается ее модель, обладающая свойством непрерывности (фиктивная сплошная среда — континуум). B этом состоит гипотеза o непрерывности или сплошности жидкой среды. Эта гипотеза упрощает исследование, так как позволяет рассматривать все механические характеристики жидкой среды (скорость, плотность, давление и т. д.) как функции координат точки в пространстве и во времени, причем в большинстве случаев эти функции предполагаются непрерывными и дифференцируемыми. Непрерывную модель жидкости можно применять до тех пор, пока в достаточно малых объемах жидкости содержится большое количество молекул.

Интересуясь, например вопросом, как велики в  данной точке давление внутри жидкости или скорость ее движения, важно  знать давление и скорость лишь в  некотором весьма малом объеме, a не строго в данной геометрическом точке. Этот объем действительно может быть очень малым. Так, известно, что в 1∙10^-6 м³ воздуха находится 2,7∙10¹⁹ молекул.

Этот  пример показывает, что, заменяя реальную жидкость ее моделью в виде непрерывной  жидкой среды, мы действительно не делаем никакой ошибки до тех пор, пока не будем интересоваться движением  молекул или состоянием жидкости внутри межмолекулярного пространства.

Жидкости  c точки зрения механических свойств разделяются на два класса:

• малосжимаемые (капельные);
• сжимаемые (газообразные).

C позиций физики капельная жидкость  значительно отличается от газа; c позиций механики жидкости различие между ними не так велико, и часто законы, справедливые для капельных жидкостей, могут быть приложены и к газам в случаях, когда сжимаемостью последних можно пренебречь (например, при расчeте вентиляционных каналов).

B связи с отсутствием специального  термина, который обозначал бы  жидкость в широком смысле  слова, в дальнейшем будем использовать  термины «капельная жидкость»  (малосжимаемая), «сжимаемая жидкость» (газ) и «жидкость», применяя последний в широком смысле, охватывающем как капельную жидкость, так и газ (т.е. под жидкостью будем понимать всякую среду, обладающую свойством текучести).

Капельные жидкости обладают вполне определенным объемом, величина которого практически  не изменяется под действием сил. Газы же, занимая все предоставляемое  им пространство, могут значительно  изменять объем, сжимаясь и расширяясь под действием сил. Таким образом, капельные жидкости легко изменяют форму (в отличие от твердых тел), но с трудом изменяют объем (в отличие от газов), а газы легко изменяют как объем, так и форму.

Основные  свойства жидкостей, существенные при  рассмотрении задач механики жидкости, — плотность и вязкость. В некоторых случаях (при образовании капель, течении тонких струй, образовании капиллярных волн и др.) имеет значение также поверхностное натяжение жидкостей.

Единицы измерения. Прежде чем перейти к изучению основных свойств жидкости, остановимся на единицах измерения, принятых в гидравлике и аэродинамике.

За  основу принята Международная система  единиц измерении СИ (наряду со внесистемными единицами), однако в инженерной практике теплогазоснабжения и вентиляции используется также система МКГСС, положенная в основу технических нормативных документов (ГОСТ, СНиП и т. д.) и каталожных данных, a в ряде случаев система СGS.

Основными единицами системы СИ являются единицы  длины (метр, м), массы (килограмм, кг), времени (секунда, с), термодинамической температуры (кельвин, K).

Производные единицы системы СИ, употребляемые  в гидравлике и аэродинамике, приведены  в табл. 1.1.

 

Таблица 1.1

Производные единицы Международной  системы СИ
Величина	Наименование	Обозначение
Объёмный расход	кубический метр в секунду	м3/с
Массовый расход	килограмм в секунду	кг/с
Скорость течения	метр в секунду	м/с
Ускорение	метр на секунду в квадрате	м/с2
Сила	ньютон	Н
Давление, напряжение, модуль упругости	паскаль (ньютон на квадратный метр)	Па (Н/м2)
Динамическая вязкость	паскаль-секунда (ньютон-секунда на квадратный метр)	Па∙с (Н∙с/м2)
Кинематическая вязкость	квадратный метр на секунду	м2/с
Плотность	килограмм на кубический метр	кг/м3
Удельный вес	ньютон на кубический метр	Н/м3
Работа, энергия	джоуль	Дж (Н∙м)
Мощность	ватт	Вт
Удельная газовая постоянная	джоуль на килограмм-градус	Дж/(кг∙К)

 

До  сих пор широко используются в  практике инженерных расчетов измерение  давления (напоров) в технических  атмосферах (ат), метрах водяного и миллиметрах ртутного столба (м вод. ст. и мм рт. ст.), измерение температуры в градусах Цельсия (°C), динамической вязкости в пуазах (П) и кинематической в стоксах (Ст), работы и энергии в киловатт-часах (кВт∙ч). Соотношения между наиболее употребительными единицами применяемых систем измерения приведены в тексте.

Плотность жидкостей. Плотностью жидкости ρ называется ее масса, заключенная в единице объема:

       (1)

где М — масса жидкости в объеме W. 

Плотность воды при 4° С ρ_в⁴=1000 кг/м³ (102 кгс∙с²/м⁴).

Если  жидкость неоднородна, то формула (1) определяет лишь среднюю плотность жидкости. Для определения плотности в  данной точке следует пользоваться формулой:

       (2)

В практических приложениях о массе  жидкости судят по ее весу. Вес жидкости, приходящийся на единицу объема, называется удельным весом:

       (3)

где G - вес жидкости в объеме W.

Удельный  вес воды при 4° С Н/м³ (1000 кгс/м^з).

Если  жидкость неоднородна, то формула (3) определяет лишь средний удельный вес жидкости. Для определения удельного веса жидкости в данной точке следует  пользоваться формулой:

      (4)

где Δ G — вес жидкости в объеме ΔW.

Плотность и удельный вес связаны между собой известным соотношением:

       (5)

где g - ускорение свободного падения.

Относительным удельным весом жидкости (или относительным весом) δ называется отношение удельного веса данной жидкости к удельному весу воды при 4° С:

       (6)

В отличие от удельного относительный  удельный вес представляет собой  безразмерную величину, численное значение которой не зависит от выбранной  системы единиц измерения. Так, для  пресной воды при 4 °С имеем: .

В табл. 2 в качестве примера приведены  значении удельного веса и плотности  некоторых капельных, а в табл. 3 — сжимаемых жидкостей (газов).

 

Таблица 2

Плотность ρ и удельный вес γ  капельных жидкостей при 20° С
Жидкость	γ Н/м3	ρ кг/м3
Анилин	9270	1040
Бензол	8590-8630	876-880
Бензин авиационный	7250-7370	739-751
Вода пресная	9790	998,2
Вода морская	10010-10090	1002-1029
Глицерин безводный	12260	1250
Керосин	7770-8450	792-840
Масло касторовое	9520	970
Масло минеральное	8000-8750	877-892
Нефть	8340-9320	850-950
Ртуть	132900	13547
Спирт этиловый безводный	7440	789,3
Хлористый натрий (раствор)	10690	1200
Эфир этиловый	7010-7050	715-719

 

Таблица 3

Приближённые значения плотности ρ и удельного веса γ газов при давлении 740 мм рт. cт. и t=15° C
Газ	γ Н/м3	ρ кг/м3
Водород	0,81	0,08
Водяной пар	7,25	0,74
Окись углерода	11,3	1,15
Азот	11,3	1,15
Воздух	11,6	1,2
Кислород	12,8	1,3
Углекислота	17,6	1,8

 

Плотность, а следовательно, удельный и относительный удельный вес жидкостей меняются с изменением давления и температуры. Эта зависимость существенно различна для капельных жидкостей и газов.

Сжимаемость капельных жидкостей под действием  давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия β_w, который представляет собой относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления:

      (7)

где W— первоначальный объем жидкости;

ΔW— изменение этого объема при увеличении давления на величину Δр.

Коэффициент объемного сжатия в системе СИ имеет размерность Па^-1.

Знак  минус в формуле (7) oбусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (т.е. уменьшение) объема жидкости.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости:

       (8)

Коэффициент объемного сжатия капельных жидкостей  мало меняется при изменении температуры  и давления (см., например, табл. 4); в  среднем для воды β_w=1/(2 10⁹) Па^-1 или 1/20000 см²/кгс.

Таблица 4

Значения коэффициента объёмного  сжатия воды при разных температурах и давлениях
t, °C	при давлениях Па∙104
	50	100	150	390	780
0	5,4	5,37	5,31	5,23	5,15
5	5,29	5,23	5,18	5,08	4,93
10	5,23	5,18	5,08	4,98	4,81
15	5,18	5,1	5,03	4,88	4,7
20	5,15	5,05	4,95	4,81	4,6