Температурне розширення рідини.

Температурним коефіцієнтом розширення (В_t) називається число , яке показує відносну зміну об’єму рідини при зміні температури на один градус , тобто:

_t= V/V 1/ t, C ^-1 (1.10)

Де V – початковий об’єм рідини, V = V_k – V , зміна об’єму до кінцевого значення V_k при підвищенні температури від початкового значення до кінцевого t_k тобто на t_k- t. Коефіцієнт температурного розширення вимірюється в С ^-1.

Якщо (1.10) подаємо у розгорнутому вигляді:

B_t =( V_k – V)/V 1/( t _k - t) . (1.11)

Виходить, що густина рідини змінюється із зміною температури і змінюється об’єм рідини. Таке явище необхідно враховувати при рішенні гідравлічних задач, а також у практичній діяльності.

Внутрішні сили у рідині.

Сили, що діють між частками в рідині називають внутрішніми, котрі обумовлюють їх капілярність, зчеплення, в’язкість.

Сили зчеплення.

Між окремими молекулами рідини і повітря або твердої поверхні, яка знаходиться в контакті з нею, виникають сили зчеплення. Сили які знаходяться між окремими частками, в середині рідини взаємо урівноважуються. Але така однорідність, порушується на поверхні рідини. Тому поверхня рідини з повітрям, газом чи з іншою рідиною, що не змішується з енею завдяки силам взаємопритягування молекул поверхневого шару знаходяться у стані рівномірного натягу.

Поверхневим натягом називають утворення одиниці площі поверхні на границі фаз, при постійній температурі. Поверхневий натяг вимірюється в одиницях сили віднесених до довжини Н/м.

Поверхневий натяг намагається скоротити поверхню рідини, викривлюючи її. Але деякі маловязкі рідини взяті у великій кількості, приймають форму посудини, і їх вільна поверхня є практично плоскою, тому що сила тяжіння землі долає силу поверхневого натягу. При цьому сили поверхневого натягу створюють додаткові зусилля, підвищуючи тим самим тиск у рідині. Додатковий молекулярний тиск Р_Q залежить від радіуса поверхні і для поверхні радіусом r становить:

P = 2 /r (1.12).

Де – коефіцієнт поверхневого натягу, r – радіус кривизни кулеподібної поверхні

Капілярні сили .

На границі рідина тверда поверхня – на форму поверхні суттєво впливає змочування, яке викликає взаємодію молекул рідини і твердого тіла.

Капілярність викликається молекулярним тиском на поверхні рідини і силами взаємодії між нею, і близько розташованими стінками (труби малого діаметра, дрібнопористої структури твердого тіла). Сили що діють між молекулами твердого тіла і рідини яка його змочує, примушують рідину підійматися по його стінках утворюючи тим самим гнутий меніск.

рис. 1.2

Від’ємний капілярний тиск, викликає підняття рідини. Висоту капілярного підняття води і еталону в скляній трубці при температурі 20 С і діаметрі трубки d мм. Визначають за імперичними формулами для води – Н_кап = 30/d , для еталону – H_кап = 10/d .Рідина яка не змочує поверхню утворює опуклий меніск, тобто рідина біля стінок опускається. Висоту опускання ртуті у скляному капілярі діаметром d при 20 ^оС визначають за імперичною формулою Н _кап = 10,15/ d

В’язкість

В’язкість – властивість рідини, що рухається з різними швидкостями у потоці, чинити опір відносно руху її частинок. Сила внутрішнього тертя (Т) спрямована у бік протилежний руху потоку, чим викликає опір цьому руху з боку рідини. Звідси випливає ще одне тлумачення в’язкості. Спроможність рідини чинити опір зсуваючим чи дотичним зусиллям – називається в’язкістю.

Ньютон висунув гіпотезу яка зводилась до наступного: сили тертя залежать від властивостей рідини, не залежать від тиску, прямо пропорційні спряженим поверхням і градієнтам швидкості у шарах. Математично гіпотеза матиме такий вигляд:

Т = F (1.13)

де - динамічна чи абсолютна в’язкість.

Розглянемо потік рідини, всі шари якої рухаються паралельно один одному. Для чого розділимо його на шари товщиною dr і припустимо, що швидкість частинок рідини змінюється від шару до шару по кривій а – а. Градієнт швидкості dU/dr вимірюється тангенсом кута нахилу дотичної до епюри швидкостей у будь – якій точці (tg ) і характеризує інтенсивність зміни швидкості у напрямі нормалі до неї.

Виходячи з гіпотези Ньютона якщо силу тертя віднести до одиниці площі спряжених шарів, отримаємо дотичну напругу сил внутрішнього тертя:

= T/F = (1.14).

Рідини, що описуються цім виразом називаються нормальними чи Ньютонівськими рідинами. Рідини котрі відрізняються від рідин іншого класу тим, що у них в’язкість не є фізично константною, а змінюється із зміною швидкості потоку, називають аномальними чи не ньютонівськими. Ще нормальні рідини називають гомогенними, а аномальні – гетерогенними. Наприклад гомогенні рідини – цукрові соки, фруктово–ягідні соки. А гетерогенні – цукрові сиропи, сметана, молочнокислі продукти.

Вираз ) показує: у скільки разів змінюється градієнт швидкості, у стільки ж змінюється напруга сил тертя, а коефіцієнт в’язкості є коефіцієнтом пропорційності, і залишається без змін.

Закон тертя: - напруга сили тертя в середині рідини, що рухається, прямо пропорційна градієнту швидкості чи, що теж саме, прямо пропорційна першій похідній від швидкості по нормалі від швидкості рух.

Виходячи з виразу (1.14) розмірність коефіцієнта динамічної в’язкості буде – Па.∙с.

Коефіцієнт кінематичної в’язкості, який є відношенням коефіцієнта динамічної в’язкості до густини рідини при певній температурі.

Тобто:

v = / (1.15)

Одиниця виміру якого буде – м²/с.

Вплив тиску краплинних рідин проявляється в області високих тисків (для води понад 10 МПа). Тому коли тиск перевищує 10МПа, залежність в’язкості від тиску нехтуємо, і визначаємо її у залежності від температури.