4. Фізичні властивості рідини. Ідеальна і реальна рідина

Рідина розглядається як деформована система матеріаль­них частинок, які неперервно заповнюють простір, у якому руха­ються.

Під час розгляду руху рідини велике значення мають пра­вильні та чіткі уявлення про рідинне середовище. Структура ріди­ни не є неперервною, бо рідина, як і всяка речовина, складається з окремих молекул, а між молекулами є вільні проміжки. Але на практиці, а також й у теорії, на якій ґрунтується робота нагнітача, вважають, що рідина - це неперервне середовище (континуум).

У теоретичних, а також і практичних розробках розгляда­ють рідини зі спрощеними властивостями, які називають моделя­ми. Потреба в цьому викликана тим, що фізична суть роботи рідин надзвичайно складна. Умови роботи рідин у природі і техніці залежать від багатьох факторів, унаслідок чого власти­вості рідин проявляються по-різному. Врахувати всі фактори та прояви всіх властивостей рідин у кожному окремому випадкові важко, не завжди можливо та й не потрібно. Так, при розв'язанні більшості задач не беруть до уваги хімічних і термодинамічних явищ, а також тих механічних факторів, які не впливають на робо­ту рідин. Уводячи моделі рідини, звичайно, враховують лише ос­новні їх властивості, які найбільше впливають на роботу машини.

Рідиною називається фізичне тіло, здатне зберігати об'єм, але не здатне самостійно зберігати форму. Перша властивість на­ближає рідину до твердого тіла, друга - до газу. Наведені власти­вості не є абсолютними. Рідини під дією тиску змінюють свій об'єм, хоча і значно менше ніж гази. Всі рідини чинять опір зміні форми, переміщенню однієї частини об'єму відносно іншої, хоча й менше ніж тверді тіла.

Рідини поділяють на два класи:

Стисливі рідини або газоподібні (гази).

Дуже малостисливі рідини або краплинні рідини.

Гази заповнюють увесь наданий їм об'єм; не утворюють вільної поверхні; легко змінюють об'єм під час розширення або стиснення; чинять дуже малий опір зсуву (малов'язкі) і майже не протидіють розтягуванню.

Краплинні рідини утворюють вільну поверхню; майже не змінюють свого об'єму при деформаціях; чинять дуже великий опір стисненню і невеликий - зсуву; майже не протидіють розтя­гуванню.

Розглядаючи рідину як суцільне, нескінченно подільне се­редовище, його стан можна описати диференціальними рівняння­ми.

В інженерних розрахунках, а також для розв'язання ряду практичних задач, пов'язаних із гідравлічними та аеродинамічни­ми машинами, необхідно знати такі фізичні параметри (характе­ристики) рідини: питому вагу, в'язкість, густину, стисливість, теп­лове розширення тощо.

Інші властивості рідини (теплоємність, теплопровідність, колір тощо) в гідравлічних задачах використовуються рідко, тому їх не розглядатимемо.

Питома або об'ємна вага - це вага одиниці об'єму рідини. Для однорідних рідин її визначають за формулою

(1.1)

де G - вага рідини, Н; W - об'єм рідини, мЗ; у - питома вага, Н/м³.

У технічних розрахунках питому вагу вимірюють у кгс/м³. Зв'язок одиниці вимірювання в технічній системі і системі СІ має такий вигляд: (1.2)

Густина — це маса рідини в одиниці об'єму. Для однорідної рідини, маса якої рівномірно розподілена по її об'єму, густину визначають відношенням маси рідини до її об'єму, а саме:

(1.3)

де m - маса рідини, кг; ρ- густина, кг/см (система СІ), інколи в техніці використовують відносну густину.

Відносною густиною називається відношення густини да­ної рідини до густини води при температурі 277 °К (4 °С):

, (1.4)

де р_р — густина визначуваної рідини; р_в — густина повітря.

Густи­на рідини дещо змінюється зі зміною температури й тиску. Вона, як правило, збільшується з підвищенням тиску. Всі рідини, крім води, характеризуються зменшенням густини зі збільшенням тем­ператури. Густина води найбільша при t=4 °С (277 °К), та вона зменшується як із зменшенням, так і збільшенням температури від цього значення. В цьому проявляється одна з аномальних вла­стивостей води. Відомо, що вага тіла визначається як добуток ма­си тіла і прискорення сили земного тяжіння.Таким чином, маємо

(1.5)

Поділивши обидві частини цього рівняння на об'єм, одер­жимо

(1.6)

Густина газу зменшується з підвищенням температури. Для так званих досконалих (ідеальних) газів залежність густини від температури визначається рівнянням Клапейрона

(1.7)

де Р - тиск, Н/м; g - прискорення сили земного тяжіння м/с²;R - універсальна газова стала для повітря R= 287 Дж/кг-К; Т - аб­солютна температура, яка дорівнює (273,15 + t°C), К°.

Бачимо, що густина газу збільшується з підвищенням тиску.

Рідини, густина яких стала, називають нестисливими. Рідина, густина якої змінюється, називається стисливою

В'язкість рідини - це властивість рідини чинити опір взаємному переміщенню частинок, тобто зміні форми чи об'єму рідини. Вона обмежує текучість і проявляється переважно як опір силам зсуву, а також як опір силам розтягу.

В'язкість у краплинних рідинах зумовлена взаємним притя­ганням молекул, а в газоподібних - обміном молекул між шарами під час їх руху (переміщення) із шару в шар. Із підвищенням тем­ператури в рідині посилюється молекулярний рух, порушуються зв'язки між молекулами і в'язкість її зменшується, а в газах - на­впаки, в'язкість зростає. Вона проявляється тільки під час руху рідини. В'язкість рідини - властивість, протилежна текучості. Більш в'язкі рідини менш текучі й навпаки.

В'язкість - це основна ознака, якою реальна рідина відрізняється від ідеальної ( такої умовної рідини, у якої в'язкість відсутня). В'язкість рідини характеризується двома коефіцієнтами в'язкості: динамічним і кінематичним.

Для практичних розрахунків замість динамічного ко­ефіцієнта в'язкості зручніше використовувати кінематичний ко.- ефіцієнт в'язкості . Він визначається із відношення коефіцієнта динамічної в'язкості до її густини

, (1.8)

При вирішенні звичайних гідравлічних задач краплинні рідини вважають нестисливими. Од­нак, розглядаючи деякі гідравлічні явища, нехтувати стисливістю рідини не завжди правильно.

У задачах, де рідина буде під значним тиском, виникає по­треба вводити поправку на її стисливість.

Стисливість - властивість рідини змінювати свій об'єм під дією тиску.

На відміну від краплинних рідин, гази зазнають сильного стискання, внаслідок чого густина і питома вага її залежать від ти­ску.

іноді використовують величину, обернену до коефіцієнта стисливості, яку називають модулем пружності рідини:

(1.9)

Поверхневий натяг і капілярність. Поверхневий натяг зумовлений існуванням взаємного притягання між частинками рідини. Завдяки дії сил поверхневого натягу на рідину діє додат­ковий тиск по нормалі до її поверхні.

Капілярність - це властивість рідини підійматися або опу­скатися в трубах малого діаметра під дією додаткового тиску, спричиненого поверхневим натягом. Якщо у воду занурити будь- яке тверде тіло (наприклад, скло), то на частинки води діятимуть сили притягання до скла.

Ідеальною рідиною називається така умовна рідина, яка вважається нестисливою, нерозширюваною, має абсолютну рухомість частинок; в ідеальній рідині відсутні сили внутрішнього тертя. До таких рідин наближається рідкий гелій у стані надтекучості при Т < 2,2К.

У деяких задачах така "заміна" реальної рідини на ідеальну не призводить до суттєвих похибок. Наприклад, розв'язуючи задачі гідростатики, немає потреби враховувати таку важливу характеристику реальних рідин, як в'язкість, а при розгляді усталеного руху рідини у відкритих руслах не треба враховувати її стисливість.

Отже, в'язкість ідеальної рідини дорівнює нулю.

В реальності ідеальної рідини не існує, але це поняття дозволяє спростити вивчення законів реальної рідини.

Реальна рідина - це рідина, яка має в’язкість та в якій проявляється внутрішнє тертя.