Основные физические свойства жидкостей и газов

Рассмотрим некоторые свойства жидкостей, которые оказывают наиболее существенное влияние на происходящие в них процессы и поэтому учитываются при расчетах гидравлических систем.

Плотность и удельный вес

Важнейшими характеристиками механических свойств жидко­сти являются ее плотность и удельный вес. Они определяют «весо­мость» жидкости.

Под плотностью р (кг/м³) понимают массу жидкости т, за­ключенную в единице ее объема W, т.е.

р = m/W.

Вместо плотности в формулах может быть использован также удельный вес у (Н/м³), т.е. вес G, приходящийся на единицу объ­ема W:

у = G/W.

Плотность и удельный вес жидкости связаны между собой. Эта связь легко устанавливается, если учесть, что G = mg:

γ ⁼

Изменения плотности и удельного веса жидкости при измене­нии температуры и давления незначительны, и в большинстве случаев их не учитывают. Плотности наиболее употребляемых жид­костей и газов (кг/м³): бензин — 710...780; керосин — 790...860 вода — 1000; ртуть — 13 600; масло гидросистем (АМГ-10) — 850 масло веретенное — 890...900; масло индустриальное — 880...920 масло турбинное — 900; метан — 0,7; воздух — 1,3; углекислый газ — 2,0; пропан — 2,0.

Вязкость

Вязкость — это способность жидкости сопротивляться сдвигу, т.е. свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касатель­ных напряжений (напряжений трения). Рассмотрим слоистое тече­ние жидкости вдоль стенки (рис. 1.3). В этом случае происходит тор­можение потока жидкости, обусловленное ее вязкостью. Причем скорость движения жидкости в слое тем ниже, чем ближе он рас­положен к стенке. Согласно гипотезе Ньютона касательное напря­жение, возникающее в слое жидкости на расстоянии у от стенки, определяется зависимостью

т = µ , (1.5)

где dv/dy — градиент скорости (записан упрощенно), характеризу­ющий интенсивность нарастания скорости v при удалении от стен­ки (по оси у).

Зависимость (1.5) называют законом трения Ньютона. Она была позднее экспериментально обоснована профессором Н. П. Пет­ровым. Течения большинства жидкостей, используемых в гидрав­лических системах, подчиняются закону трения Ньютона, и их называют ньютоновскими жидкостями. Однако следует иметь в виду, что существуют жидкости, в которых закон (1.5) в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньюто­новскими.

Величина v, входящая в (1.5), получила название динамичес­кой вязкости жидкости. Однако на практике более широкое при­менение нашла кинематическая вязкость:

V=µ/p.

Единицей измерения последней в системе СИ является м²/с или более мелкая единица см²/с, которую принято называть стоксом, I Ст = 1 см²/с. Для измерения вязкости также используются санти- стоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.

Вязкость жидкостей существенно зависит от температуры, при­чем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры падает, а вязкость газов — растет (рис. 1.4). В газах молекулы располагаются значительно дальше друг от друга. Вязкость газа зависит от интенсивности хаотичного движе­ния молекул. С ростом температуры эта интенсивность растет и вязкость газа увеличивается. Вязкость жидкостей зависит также от давления, но это измене­ние незначительно, и в большинстве случаев его не учитывают. В заключение отметим, что в гидравлике при изучении процес­сов течения используется понятие идеальной жидкости, под кото­рой понимают жидкость, лишенную вязкости.