2. Основные свойства жидкостей

Плотность. Плотностью р [кг/м³] называют отношение массы жидкости т [кг] к объему V[м³], который эта масса занимает:

Удельный вес. Удельным весом γ [Н/м³] называют вес единицы объема жидкости:

G — вес жидкости в объеме V.

Поскольку G = mg, плотность и удельный вес связаны между собой соотношением:

Сжимаемость. Свойство жидкости изменять объем под действием давления называют сжимаемостью. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объемного сжатия р_р [Па^-1], который представляет собой от­носительное изменение объема, приходящееся на единицу давления:

где — начальный объем, м³;

— изменение объема, м³;

— изменение давления, Па.

Величина, обратная коэффициенту , носит название объемного модуля упругости (модуля сжимаемо­сти) Е[Па].

Для капельных жидкостей модуль Е незначительно уменьшается с увеличением температуры и возраста­ет с повышением давления. Для воды он составляет при атмосферном давлении приблизительно 2 000 МПа, для минеральных масел — 1 400... 1 700 МПа. Следовательно, при повышении давления на 0,1 МПа, объемы этих жидкостей уменьшатся всего на 1/20 000 и на 1/12 000 части соответственно, что дает основание считать ка­пельные жидкости несжимаемыми, т.е. считать плотность жидкостей независимой от давления.

Температурное расширение. Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения [К ~¹], который представляет собой относительное изменение объема при изменении темпера­туры Т на 1 К при постоянном давлении:

Коэффициент воды, находящейся под давлением 0,1 МПа, возрастает от 14*10^-6 до 700*10^-6 с увеличе­нием температуры от 0 до 100 °С. Для минеральных масел в диапазоне давлений от 0 до 15 МПа р₇ можно в среднем принимать равным 8*10^-4.

При обычных гидравлических расчетах температурное расширение жидкостей, как правило, не учиты­вают.

Вязкость. Свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу (скольжению) слоев жидкости называют вязкостью. Вязкость — свойство противоположное текучести (степени подвижности частиц жидкости); более вязкие жидкости менее текучие и наоборот.

Наличие вязкости приводит к тому, что при течении жидкости вдоль твердой стенки происходит торможе­ние потока (рис.3).

Рис.3. Профиль скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки

Скорость v движения слоев жидкости уменьшается по мере приближения к стенке вплоть до нуля. Между слоями жидкости, движущимися с разными скоростями, происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений (напряжений трения).

Величина касательных напряжений [Па] зависит от рода жидкости и характера ее течения, при слои­стом течении (рис. 2.3) определяется следующим соотношением:

где — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости;

— приращение скорости, м/с;

— приращение координаты, м.

Помимо коэффициента динамической вязкости вязкость может быть охарактеризована и коэффициен­том кинематической вязкости :

Единицей измерения коэффициента динамической вязкости , является паскаль-секунда [Па-с]. Исполь­зуется также единица измерения пуаз [П] системы единиц СГС*: 1 П = 0,1 Па*с.

Единицей коэффициента кинематической вязкости v служит м²/с; применяют также единицу СГС стокс [Ст]: 1 Ст = 1 см²/с = 10^-4 м²/с.

Сотая доля стокса называется сантистоксом (сСт).

Вязкость зависит от температуры, причем характер этой зависимости для жидкостей и газов различен: вязкость жидкостей с увеличением температуры уменьшается, тогда как вязкость газов, наоборот, увеличива­ется (рис. 4).

Это объясняется различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена, глав­ным образом, беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повы­шением температуры.

Вязкость жидкостей зависит также и от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления (в несколько десятков мегапаскалей). С увеличением дав­ления вязкость большинства жидкостей возрастает.

Рис. 4. Зависимость кинематической вязкости от температуры

Вязкость жидкостей измеряют при помощи вискозиметров. Наиболее распространенным является вискозиметр Энглера, который представляет собой сосуд диаметром 106 мм, с короткой трубкой диаметром 2,8мм, встроенной в дно. Время t истечения 200 см³ испытуемой жидкости из вискозиметра через эту трубку под действием силы тяжести, деленное на время ?_вод истечения того же объема дистиллированной воды при 20 °С, выражает вязкость в условных единицах — в градусах Энглера:

где =51,6 с

Методов точного перевода условных единиц вязкости в абсолютные не существует, пересчет производится по эмпирическим формулам и таблицам.

Так пересчет градусов Энглера в стоксы для применяемых в гидросистемах минеральных масел осуществляют по формуле

Пересчет градусов Энглера в абсолютные единицы вязкости для распространенных в гидросистемах жидкостей может быть проведен и по упрощенной формуле:

Испаряемость. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако ее интенсивность зависит от свойств конкретной жидкости, а также условий, в которых она находится. Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном давлении — чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости.

В гидросистемах жидкости обычно находятся под избыточным давлением, поэтому испаряемость характеризуют давлением насыщенных паров, т.е. давлением, при котором данная жидкость, имеющая некую температуру, закипает.

Поверхностное натяжение. На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление сказывается лишь при малых объемах жидкости.

Растворимость газов в жидкостях. Все жидкости обладают способностью растворять газы. Количество : затворенного газа, например воздуха, в единице объема жидкости увеличивается с увеличением давления и температуры.

При понижении давления или температуры жидкости, газ, находившийся в ней в дисперсном состоянии, начинает бурно выделяться в виде пузырьков. Выделившиеся пузырьки образуют механическую смесь газа с жидкостью, которая отрицательно сказывается на работе гидросистем вследствие увеличения сжимаемости рабочего тела.

* Система единиц СГС (сантиметр-грамм-секунда, CGA) является системой механических величин. Основ­ными единицами этой системы являются: сантиметр — единица длины, грамм — единица массы, секунда — едини­ца времени.

На время растворения газов в жидкости влияет величина поверхности соприкосновения этих двух сред. Так при вспенивании жидкости величина этой поверхности сильно увеличивается и время насыщения жидко­сти газом может уменьшиться до нескольких минут вместо нескольких часов, как это наблюдается в жидкостях со спокойной поверхностью.

Наличие растворенного в жидкости газа влияет на ее вязкость — чем больше в жидкости растворенного га­за, тем меньше ее вязкость.

Образование пены. При эксплуатации гидросистем может образоваться пена, которая состоит из пу­зырьков воздуха различного размера. Пена понижает смазывающую способность масла, а также вызывает коррозию деталей гидравлических агрегатов и окисление масла. Устойчивая пена превращается со временем в вязкие включения, которые откладываются на внутренних поверхностях гидроагрегатов и могут нарушить их нормальную работу.

Пена образуется, как правило, тем интенсивнее, чем ниже поверхностное натяжение и давление насы­щенного пара жидкости. Такие условия возникают при добавлении в жидкость даже небольшого (менее 0,1 % по весу) количества свободной или растворенной воды.

Сопротивление растяжению. Согласно молекулярной теории сопротивление растяжению внутри жидко­сти может быть весьма значительным — теоретическая прочность воды на разрыв равна 1,5 10⁸ Па. Реальные жидкости менее прочны. Максимальная прочность на разрыв тщательно очищенной воды, достигнутая при растяжении воды при 10 °С, составляет 2,8 10⁷ Па, а технически чистые жидкости не выдерживают даже не­значительных напряжений растяжения.

Рис. 5. Пример появления кавитации

Так, попытка выдвинуть поршень из полностью заполненного жидкостью цилиндра, приводит к тому, что жидкость при этом «разрывается» — в ней образуются полости в виде пузырьков, заполненных насыщенными парами жидкости и растворенным газом (чаще всего воздухом) (рис. 2.5).

Обычно разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: микро­скопических газовых пузырьков, твердых частиц с трещинами, заполненными газом, и др.

Появление в жидкости паровоздушных пузырьков называется кавитацией.

Сжимаемость жидкости, содержащей паровоздушную смесь, значительно возрастает. Сопротивление жидкостей растяжению уменьшается с увеличением растворенного в них газа и увеличивается после спрессо­вывания их давлением, а также в результате выдержки времени.

Теплопроводность и теплоемкость. Для поглощения, отвода и последующего рассеивания теплоты, выделяющейся при работе гидросистемы, необходимо, чтобы рабочие жидкости обладали высокими показа­телями теплопроводности и теплоемкости.

Теплопроводность — свойство материала передавать теплоту через свою толщу от одной поверхности к другой, если эти поверхности имеют разную температуру. Численной характеристикой теплопроводности ма­териала является коэффициент теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности жидкостей зависит от температуры и равен количеству тепло­ты, которое проходит за единицу времени через единицу площади поверхности на единицу толщины слоя:

где a — коэффициент, зависящий от сорта жидкости (для минеральных масел a = 0,0003 - 0,00027).

Для практических расчетов можно принимать А,, = 0,136 Вт/(м*°С).

Теплоемкость — свойство материала при нагревании поглощать теплоту, а при охлаждении - отдавать ее. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость с (количество теплоты, необходимое для по­вышения температуры единицы массы на 1 °С).

Для минеральных масел с = 1,88...2,1 кДж/(кг*°С).