4.2 Физические свойства жидкости

В зависимости от физических свойств жидкостей (газов) процесс теплообмена может протекать различно и своеобразно. Особенно боль­шое влияние оказывают коэффициент теплопроводности λ, удельная теплоемкость с_р, плотность ρ, коэффициент температуропроводности а, уже использовавшиеся при рассмотрении теплопроводности, и коэффи­циент вязкости μ. Для каждого вещества эти величины имеют опреде­ленные значения и являются функцией параметров состояния (темпера­туры и давления, прежде всего температуры). Особенно существенные изменения физических свойств могут иметь место в околокритической области термодинамических состояний и в области очень низких тем­ператур.

В комплексе в основном рассматриваются процессы при монотонных и не слишком значительных изменениях физических свойств определен­ного вещества.

При теоретическом анализе конвективного теплообмена для про­стоты и наглядности выводов в основном будем полагать, что физиче­ские свойства жидкости (газа) постоянны в исследуемом интервале температур.

Все реальные жидкости обладают вязкостью; между частицами или слоями, движущимися с различными скоростями, всегда возникает сила внутреннего трения, противодействующая движению. Согласно закону Ньютона эта касательная сила s, Па (отнесенная к единице поверхности), которая действует в любой точке потока в плоскости, ориентированной по течению, пропорциональна изменению скорости в направлении нормали к этой плоскости

. (4.5)

Коэффициент μ называется динамическим коэффициен­том вязкости или просто коэффициентом вязкости; его единица измерения Н·с/м². При численно .

В уравнении гидродинамики и теплопередачи часто входит отно­шение вязкости μ к плотности ρ, называемое кинематическим коэффициентом вязкости и обозначаемое буквой ν, м²/с

.

Коэффициенты μ и ν являются физическими параметрами. Они существенно зависят от температуры.

У капельных жидкостей вязкость почти не зависит от давления, но значительно уменьшается при повышении температуры. Типичный характер функции для капельных жидкостей представлен на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Зависимость динамического коэффициента вязкости воды от температуры.

Рис. 4.2. Зависимость динамического и кинематического коэффициентов вязкости воздуха от температуры при давлении р=760 мм.рт.ст.

У газов μ увеличивается при повышении температуры (рис. 4.2). При увеличении давления коэффициент вязкости газов также увеличивается, но слабо.

Кинематическая вязкость капельных жидкостей уменьшается при повышении температуры почти в такой же степени, как и μ, т.к. плотность ρ слабо зависит от температуры. Напротив, у газов, плотность которых при повышении температуры сильно уменьшается, кинематическая вязкость при увеличении температуры быстро повышается. При течении жидкости или газа, обладающих вязкостью, наличие внут­реннего трения приводит к процессу диссипации (рассеяния) энергии. Существо процесса диссипации состоит в том, что часть кинетической энергии движущейся жидкости необратимо переходит в теплоту и вызывает нагревание жидкости. Если вязкость жидкости или ее скорость невелики, то нагревание будет незначительным.

В дальнейшем в основном будут рассматриваться процессы, для которых выделяемая теплота трения незначительна, и ею можно пренебречь.

На теплоотдачу оказывает влияние сжимаемость жидкостей. Изотермической сжимаемостью или коэффициентом сжатия тела при t=const называют величину

, (4.6)

представляющую собой относительное изменение плотности вещества при изменении давления.

Для капельных жидкостей изотермическая сжимаемость чрезвы­чайно мала. Так, например, для воды Па^-1, т. е. повышение давления на 1 бар вызывает относительное изменение плотности на 1/20000. То же самое имеет место и для других капельных жидкостей, что позволяет пренебречь для них изотермической сжимаемостью.

Для воздуха в нормальном состоянии Па-¹. Таким образом, сжимаемость воздуха в 20000 раз больше сжимаемости воды. Анало­гичное соотношение имеет место и для других газов.

Однако главным является не способность газа сжиматься, а то, насколько он в действительности сжимается в рассматриваемом тече­нии. Для значительного сжатия газа необходимо значительное измене­ние давления. Если при движении газа возникают разности давления, небольшие по сравнению с его абсолютным давлением, то изменения объема получаются малыми, и такие потоки газа в первом приближе­нии можно считать несжимаемыми.

Значительные изменения давления возникают при больших скоро­стях течения. При этом нужно учитывать теплоту трения и сжимаемость газа. В результате теплоотдача при больших скоростях имеет ряд осо­бенностей, неучет которых может привести к существенным ошибкам.

В дальнейшем в основном будет рассматриваться теплоотдача несжимаемой жидкости. При этом слово «жидкость» будет употреблять­ся как собирательное понятие и для жидкостей, и для газов.

Между сжимаемыми и несжимаемыми течениями газа нет резкой границы. Обычно считают, что если скорость газа меньше четвертой части скорости звука, то к газам допустимо применять законы движе­ния и теплоотдачи, полученные для несжимаемой жидкости.

Помимо изотермической сжимаемости для конвективного теплооб­мена большое значение имеет тепловое расширение жидко­сти. Последнее характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения, определяемым уравнением (p=const)

. (4.7)

Согласно определению температурный коэффициент объемного расширения , представляет собой относительное изменение объе­ма при изменении температуры на один градус (при постоянном дав­лении).

Для жидкостей температурный коэффициент объемного расшире­ния сравнительно мал (исключение составляет область вблизи термо­динамической критической точки). Для некоторых жидкостей, например для воды при t<4°С, коэффициент β может иметь отрицательное зна­чение.

Для идеального газа температурный коэффициент объемного рас­ширения есть величина, обратная абсолютной температуре газа,

.

В неравномерно нагретой жидкости вследствие теплового расшире­ния возникает неоднородное поле плотности, что в конечном итоге мо­жет привести к свободному движению.