5. Силы и напряжения, действующие в жидких средах

Силы, действующие в жидкости, делятся на массовые и поверхностные.

Поверхностные силы действуют на поверхностях отделяющий данный объем от окружающей среды. Поверхностные силы могут быть нормальные (сжимающие и растягивающие), касательные (рис. 1.1.) и поверхностного натяжения. Сопротивлением жидкости, растягивающим силам можно пренебречь. Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности.

Рис. 1.1. Схема сил.

,, (1.2)

где - нормальнаясила или сила давления; - касательная сила или сила трения. Сила создает давление в жидкости:

или давление в точки , (1.3)

где F- площадь.

Гидростатическое давление в точке одинаково по всем направлениям и зависит только от положения точки внутри жидкости, т.е. p = f (x,y,z). Для случая гидродинамики давление в точке определяется так:

, (1.4)

где p_{1, 2, 3} – главные нормальные напряжения в точке.

Отношение касательной силы к величине площади, на которую эта сила действуют, называется касательным напряжением:

или касательное напряжение в точке . (1.5)

Сила поверхностного натяжения. На межфазной поверхности жидкости существует тонкий слой, в котором возникает натяжение, т.к. молекулы жидкости, находящиеся на поверхности сильнее притягиваются молекулами внутренних слоев, чем молекулами другой фазы на межфазной поверхности. Действие сил поверхностного натяжения проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность. На создание новой поверхности F необходимо затратить некоторую работу A. Величина работы A, которую нужно затратить для образования единицы новой поверхности жидкости при постоянной температуры, называется коэффициентом поверхностного натяжения:

. (1.6)

Вследствие поверхностного натяжения на любой искривленной межфазной поверхности жидкости возникает давление. Величина этого давления определяется формулой Лапласа:

, (1.7)

где R – радиус кривизны поверхности. Для плоской поверхности R =  и =0.

Массовые силы действуют на каждую частицу данного объема жидкости. К ним относятся: сила тяжести, центробежная сила, сила инерции и сила Кориолиса:

сила тяжести Pт = Mg, сила центробежная Pцб = Mr, сила инерции Pин = Ma, сила Кориолиса Pкор. = 2Mwотн.,

(1.8.)

где M – масса, g – ускорение силы тяжести, - угловая скорость вращения, r – радиус вращения, a – ускорение, w_отн – относительная скорость.

I – часть

Теоретические основы

технологических процессов

2.1. Основы теории переноса

2.1.1. Основные понятия

Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах промышленной технологии являются следующие основные законы природы:

-законы сохранения массы, энергии и импульса;

-законы термодинамического равновесия;

-законы переноса массы, энергии и импульса;

-законы химической кинетики.

Множество всех материальных объектов условно разбивают на систему и окружающую среду.

Система (целое, составленное из частей) – множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Система, полностью лишенная возможности взаимодействовать с окружающей средой, называется изолированной. Система, которой обменивается с окружающей средой только энергией, называется закрытой (замкнутой). Система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией, называется открытой.

Все физические величины, используемые для количественной характеристики системы, называется свойствами (параметрами).

Свойства системы, являющиеся суммой соответствующих свойств подсистем, называются экстенсивными или аддитивными. Это масса, энтропия, теплота, энергия, количество движения (импульс), объем, электрический заряд и т.д.

Свойства системы, не являющиеся суммой соответствующих свойств подсистем, называются интенсивными (неаддитивными). Эта температура, давление и химический потенциал. Любой экстенсивный параметр системы является субстанцией.

Каждая система по своему составу может быть либо гомогенной системой, или фазой, либо гетерогенной системой.

Гомогенной фазой называется вещество, физические и химические свойства которого во всех частях его объема одинаковы. Составляющие гомогенной системы перемешаны на молекулярном уровне. Например, смеси газов, жидкие и твердые растворы.

Фаза имеет четкую границу раздела, называемую межфазной поверхностью, отделяющую ее от других фаз. На межфазной поверхности происходит скачкообразное изменение свойств системы. Различают три фазы: твердую, жидкую и газообразную.

Гетерогенные системы состоят из нескольких фаз, каждая из которых определена от другой фазы межфазной поверхностью. Гетерогенные двухфазовые системы, которые широко распределены в промышленности, состоят из фазы, преобладающей в системе по объему, и называемой дисперсионной средой, и фазы, присутствующей в меньшем количестве и называемой дисперсной фазой.