2.3. Тепловое расширение жидкостей и газов
Температурным или тепловым расширением называют свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Физическим
параметром, характеризующим это свойство,
принято считать температурный коэффициент
объемного расширения
,
который числено равен относительному
изменению объема фиксированной массы
жидкости
при
изменении ее температуры
на единицу градуса (
)
при постоянном давлении:
(2.5)
Температурный
коэффициент объемного расширения в
системе СИ изменяется как
.
Для газов объем будет увеличиваться при повышении температуры и может быть найден по формуле
(2.6)
Необходимо отметить,
что для реальных капельных жидкостей
температурный коэффициент объемного
расширения незначителен. Так, для воды
при 200С
и нормальном атмосферном давлении
.
Для подавляющего большинства жидкостей, применяемых в инженерной практике, этот коэффициент имеет такой же порядок, что и для воды.
2.4. Вязкость жидкостей и газов
Вязкость жидкостей. Вязкость является одним из важнейших свойств, характерных только для жидкостей, и которое во многом определяет поведение реальных жидкостей при их движении.
Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу ее частиц или слоев друг относительно друга, проявляющееся в давлении внутреннего трения.
Влияние вязкости на характер течения отражается двумя постулатами, основанными на всесторонних экспериментальных исследованиях - гипотезе “прилипания” и законе внутреннего трения Ньютона.
Гипотеза “прилипания” заключается в том, что частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердому телу, абсорбируются им, как бы прилипают к его поверхности, т.е. их скорость равна скорости твердого тела. В соответствии с этой гипотезой скорость жидкости на неподвижной твердой поверхности всегда равна нулю (рис. 2.1.)
Рис 2.1 Распределение скорости движущейся жидкости по сечению
Между соприкасающимися частицами или слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, всегда возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности соприкосновения и противодействующие смещению этих частиц друг относительно друга.
В математической формулировке закон Ньютона имеет вид:
(2.7)
где
- удельная сила трения, приходящуюся на
единицу поверхности соприкасающихся
слоев, называемая касательным напряжением,
,
-
динамическая вязкость,
;
-
изменение расстояния вдоль нормали
между двумя бесконечно близкими слоями.
В механике жидкости наряду с динамическим коэффициентом вязкости широко используется другой физический параметр, характеризующий вязкость жидкости - кинематический коэффициент вязкости.
Кинематический
коэффициент вязкости
определяется как величина равная
отношению коэффициента динамической
вязкости
к плотности жидкости
:
(2.8)
где
- вязкость жидкости,
Вязкость жидкостей зависит от температуры и давления. В специальной литературе широко приводятся экспериментальные, аналитические формулы, графики и таблицы, отражающие зависимость коэффициентов вязкости от температуры и давления.
Зависимости коэффициентов вязкости от давления и температуры различны для капельных жидкостей и газов:
1. У капельных жидкостей вязкость практически не зависит от давления, но значительно уменьшается при повышении температуры, так как часть энергии идет на разрыв молекулярных связей жидкости.
2. Вязкость газов, в отличие от капельных жидкостей, существенно возрастает с увеличением температуры, так как увеличивается кинетическая энергия молекул газа.