Физические свойства жидкостей и газов.

Под общим названием жидкость объединяют понятие газа и капельной жидкости.

Капельной называют жидкость, которая способна образовывать каплю (например: вода, масло, бензин и т. д.). Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление сжатию. При изменении давления и температуры их объём почти не изменяется. Для краткости капельную жидкость называют просто жидкостью.

Газы и их смеси в обычном состоянии не способны образовывать капли, а при воздействии давления и температуры в значительной степени изменяют свой объём.

Общее свойство газов – изменять занимаемый объём при незначительных воздействиях.

Агрегатное состояние вещества.

Из физики известно, что вещество может существовать в трёх состояниях (фазах): твёрдом, жидком и газообразном (плазму [высокотемпературный ионизированный газ] считают четвёртым состоянием).

В каком бы состоянии вещество не находилось оно состоит из вечно движущихся частиц: атомов, молекул, ионов…, связанных между собой силами взаимодействия.

В твёрдых телах эти силы столь велики, что такое тело способно сохранять свою форму, изменить которую можно лишь, приложив значительные внешние силы.

В жидкостях силы взаимодействия значительно меньше, чем в твёрдых телах, поэтому они не в состоянии сохранять свою форму и принимают форму сосуда, в котором они находятся.

В газах расстояния между частицами вещества значительно больше, чем в жидких или твердых телах, силы их взаимодействия незначительны, поэтому газообразные тела распространяются по всему пространству, в котором они находятся.

При определённых условиях вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое: например вода в твёрдом состоянии (лёд) при повышении температуры превращается в жидкость а затем и в пар (газообразное состояние). Возможные способы перехода однокомпонентного вещества из одной фазы в другую наглядно могут быть показаны на фазовой диаграмме.

Линиями AB,AC и AD площадь диаграммы разделена на три зоны.

Линия АВ является пограничной между зонами твёрдого состояния вещества и жидкостью, линия АС – пограничной между зонами жидкости и газа (пара) и линия AD – пограничной между зонами твёрдого вещества и газа (пара).

4

С

t Зона газа (пара) 3

7 Зона жидкого состояния.

А • 2

B

D 6 I 1

0 5 Зона твёрдого состояния. p

Принципиального различия между газом и паром нет. Однако, парами считают такие газообразные вещества, которые при в обычных условиях могут при отводе теплоты конденсироваться.

К газам относят такие вещества, для конденсации которых нужны относительно высокие давления и низкие температуры. Так водяной пар конденсируется при нормальном давлении уже при 100°С, а для конденсации кислорода при таком же давлении требуется температура минус 182,97°С.

Объёмным (удельным) весом жидкости называется отношение веса жидкого тела к его объёму: γ = G / V (н / м³) (8)

где: G - вес рассматриваемого объёма жидкости; V - объём данной жидкости.

В табл. 1. приведены объёмные веса некоторых капельных жидкостей, наиболее часто встречаемые в инженерной практике.

Объемные веса некоторых жидкостей. Таблица 1.

Наименование жидкости	Объёмный вес Н/м3	t°C	Наименование жидкости	Объёмный вес Н/м3	t°C
Чистая вода	9800	4	Бензин	6500	15
Морская вода	10200	4	Водяной пар	4,84	0
Ртуть	136000	0	Водяной пар	6,98	100
Воздух	12,5	0	Водород	0,89	0

Плотностью называется отношение массы М тела к его объему V:

ρ = M / V(кг/м³) (9)

Между объемным весом γ и плотностью ρ существует следующая связь: γ = ρg где g — ускорение силы тяжести. (10)

Сжимаемостью называется свойство жидкости изменять свой объем при изменении давления и температуры. Капельные жидкости характеризуются очень малой сжимаемостью, вследствие чего коэффициент объемного сжатия β_v (м²/Н), т. е. число, определяющее относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления на единицу давления, будет:

β_v= - ΔV/(V₀ ΔP) (11)

где: V₀ — начальный объем в м³; ΔV — элементарное изменение объема в м³;

ΔP — элементарное изменение давления в Н/м².

Так например, для пресной воды коэффициент объемного сжатия при температуре от 0 до 20° С в среднем составляет: β_v = 0,00000475 м ²/Н

При повышении температуры и давления сжимаемость жидкостей несколько уменьшается. В частности, коэффициент объемного сжатия для воды при достижении температуры 100° С при давлениях до 500 бар уменьшается с 4,75х10^–6 м ²/Н до 4х10^–6 м ²/Н. При повышении давления до 1000 бар и сохранении обычной температуры коэффициент объемного сжатия воды уменьшается с 4,75х10^–6 м ²/Н до 4,17х10^–6 м ²/Н.

Имеющиеся данные о сжимаемости различных жидкостей позволяют определить значения их модулей нормальной упругости, т.е. величин, обратных коэффициенту объёмного сжатия: Е= 1 / β_v (12)

Для пресной воды обычно принимают Е=2 100 000 000 Н/м ² (2,1х10 ⁹ Па).

Температурное расширение. Коэффициент температурного расширения жидкостей β_t (1/°С)- число, определяющее увеличение объема жидкости при повышении температуры на 1 ° С, равное: β _t = ΔV/ (V₀ Δt) (13)

изменяется с изменением давления. Коэффициент температурного расширения для воды увеличивается с возрастанием давления, а для большинства других капельных жидкостей уменьшается. В табл.2 приведены данные о величинах коэффициента температурного расширения для воды.

Коэффициент температурного расширения β _t для воды. Таблица 2.

Давление Бар	При температуре t°С
	4 - 10	10 – 20	90 – 100
1	0,000014	0,000015	0,000719
500	0,000149	0,000236	0,000523

Хотя коэффициенты температурного расширения для капельных жидкостей значительно выше их коэффициентов объемного сжатия, они все же очень малы. Поэтому в пределах обычно встречающихся на практике изменений давлений и температур с точностью, вполне достаточной для большинства инженерных расчетов, удельный объем капельных жидкостей можно принимать постоянным.

Однако при изучении явлений гидравлического удара в трубах приходится учитывать сжимаемость жидкостей и их температурное расширение, считая плотность жидкостей переменной, так как пренебрегать влиянием изменения этих факторов уже не представляется возможным. В частности, сжимаемость жидкости является одним из важных обстоятельств, объясняющих данное явление.

Удельная теплоёмкость – отношение количества теплоты к массе жидкости и разности температур (или отношение теплоёмкости к массе жидкости); c = Q / (m ΔT) = C / m (Дж / кг • К.) (14)

где: Q – количество теплоты, Дж; m – масса жидкости, кг; ΔT – разность температур, К.

Теплопроводностью однородной жидкости называют величину, равную отношению теплового потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку.

Вязкость. Предполагается, что при движении жидкости наблюдается скольжение одного слоя жидкости по другому, в результате чего происходит процесс, аналогичный трению, поэтому силы, возникающие при скольжении, называются силами внутреннего трения. Наличие внутреннего трения в жидкости обусловливает ее свойство оказывать сопротивление касательным усилиям, которое называется вязкостью. Всякое трение сопровождается потерей энергии, поэтому при движении вязких жидкостей неизбежно теряется часть энергии, содержащейся в потоке. Еще в 1687 г. Ньютон высказал гипотезу о том, что силы внутреннего трения, возникающие между соседними движущимися слоями жидкости, прямо пропорциональны скорости относительного движения и площади поверхности соприкосновения, вдоль которой совершается относительное движение, зависят от рода жидкости и не зависят от давления.

Y

W₀ F

dy W_y

d

y dW

W = 0

Х Рис. 4. К понятию о внутреннем трении в жидкостях.

Рассмотрим схему следующего опыта. Между двумя параллельными пластинами (рис.4), расположенными на расстоянии d, друг от друга, находится жидкость. Верхняя пластина движется относительно нижней со скоростью W₀ ._.

Поскольку между пластинами и прилегающими к ним слоями жидкости действуют силы межмолекулярного сцепления, то возникает явление «прилипания» поверхностных слоев жидкости к пластинам. При этом скорость жидкости относительно пластины в непосредственной близости от нее очень мала и обращается в нуль на самой пластине. В рассматриваемом опыте скорость жидкости в потоке между пластинами меняется по линейному закону: от нуля на неподвижной пластине до W₀ на движущейся.

Для того чтобы перемещать верхнюю пластину с постоянной скоростью W₀, необходимо приложить к ней некоторую силу F, уравновешивающую силы внутреннего трения.

Как показывает опыт, значение этой силы, отнесенное к площади S пластины, пропорционально отношению: W₀ / d: F/ S ~ W₀ / d (16)

Введем коэффициент пропорциональности μ и запишем соотношение (16) в виде: F / S = μ W₀ / d (17)

Величину μ называют коэффициентом динамической вязкости жидкости.

Отметим, что отношение F / S в равенстве (17) есть не что иное, как значение касательного напряжения τ = F / S, приложенного к движущейся поверхности. Теперь формулу (17) можно записать в виде: τ = μ W₀ / d (18)

Формула (18) выражает так называемый закон Ньютона о трении в жидкости. Законы движения неньютоновских жидкостей рассматриваются в реологии — общем учении о текучести и пластичности веществ.

Единица динамической вязкости в СИ — паскаль-секунда (Па• сек).

В гидравлике часто пользуются величиной ν = μ / ρ, которую называют кинематической вязкостью жидкости; она выражает отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности. Единица кинематической вязкости — квадратный метр на секунду (м²/с).