8. Понятие жидкости. Жидкости малосжимаемые и сжимаемые. Основные свойства жидкостей Аномальные жидкости. Идеальная жидкость.

Жидкостью в широком смысле слова называют вещества, обладающие лёгкой подвижностью частиц (текучесть). Чтобы изменить форму твёрдого тела необходимо внешнее усилие, имеющее конечную, иногда очень большую величину. Для изменения формы жидкости достаточно порой весьма незначительных воздействий. При изучении реальная жидкость, состоящая из большого количества молекул, заменяется моделью, которая рассматривается как непрерывная сплошная среда, а сама гипотеза поэтому получила название гипотезы по непрерывности или сплошности (в основе уравнения неразрывности лежит эта гипотеза).Эта гипотеза оправдывает себя до тех пор, пока не рассматривается поведение отдельных молекул или поведение среды в межмолекулярном пространстве.

Жидкость в широком смысле по механическим свойствам делится на 2 класса: капельная жидкость; газ. Употребление термина «жидкость» в физике означает как правило жидкость в широком смысле, а в технике, как правило, подразумевается капельная жидкость. Капельные жидкости обладают вполне определённым объёмом, величина которого практически не изменяется под действием сил, но они легко меняют свою форму. Газы занимают весь предоставленный объём и могут сильно его изменять при силовых воздействиях. Газы легко меняют форму. К основным свойствам жидкостей в механике и газах относится плотность и вязкость. При изучении тонких струй, при образовании капель, а также при образовании капиллярных волн существенную роль играет поверхностное натяжение жидкости. Под средней плотностью жидкости понимается величина ρ=М/V, (кг/м³). Для неоднородных структур часто требуется определение локальной (местной) плотности ρ=lim_∆V→0 [∆M/∆V]=dM/dV.

Плотность воды при 4⁰С равна 1000кг/м³: ρ _t=40С = 1000 кг/м³. При других температурах плотность воды меньше. Это является уникальным свойством воды, отличающим её от других капельных жидкостей. Удельным весом называют отношение силы тяжести к объёму: j=G/V. При 4⁰С удельный вес воды: j_в⁴ =9810Н/ м³; g=9,81м² /с. Относительным удельным весом называется величина δ=j_ж/j, где j_ж - удельный вес рассматриваемой жидкости; j_в⁴ –удельный вес дистиллированной воды.

Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления определяется коэффициентом объёмного сжатия β_p=-1/V*∆V/∆p, 1/Па, где β_p – коэффициент объёмного сжатия; V, м³ –первоначальный объём жидкости; ∆V- изменение объёма жидкости, вызванное изменением давления.

Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия называется модулем упругости: Е₀=1/β_p.

Для воды модуль упругости: Е₀ =2*10⁶Па.

Большая величина модуля упругости означает малую сжимаемость. Температурное расширение капельной жидкости характеризуется коэффициентом температурного расширения. β_t=1/V*∆V/∆T, (1/К). β_t для капельных жидкостей невелик. Например для воды при t= 10…20⁰С β_t- 0,00015(1/градус) = 0,00015 (1/К).

В инженерных расчетах тем не менее β_t учитывают, плотность пересчитывают по формуле: ρ_t = ρ_t⁰*1/(1+ β_t(Т-Т₀)).

В отличии от капельных жидкостей газы характеризуются высокой сжимаемостью и имеют высокий коэффициент температурного расширения. При этом формулы, приведённые выше для β_t и β_p остаются справедливыми, но их применяют редко для газов, поскольку проще использовать уравнения состояния Менделеева-Клапейрона ρ=p/(R_TT). ρ-плотность (кг/м³); р-давление(Па); R_T –универсальная газовая постоянная(кДж/кг*К); T-температура, К.

При проведении инженерных расчётов для газов вводят понятие нормальных физических условий: НФУ: t=0⁰С, p=760мм.рт.ст.=1,01325*10⁵Па. Используя также стандартные условия: СУ: t=20⁰С, р=760мм.рт.ст. Нормальные технические условия: НТУ: t=15⁰С, р=735, 6 мм.рт.ст.= 1кгс/см²=9,81*10⁴Па.

Плотность воздуха: ρ_НФУ ^возд=1,29кг/м³; ρ_СУ^возд=1,2 кг/м³. Если сжатие газа происходит изотермически, то справедливо соотношение: р/ ρ = const. (Т= const).Для адиабатического: р/ ρ^х = const (Q=0).

к= с_t/c_v –показатель адиабаты. Для воздуха к=1,4; с_р (кДж/кг*К)-теплоёмкость газа в изобарном процессе(р= const); c_v (кДж/кг*К) – теплоёмкость газа в изохорном процессе (V= const).

Таким образом, сжимаемость газов зависит от характера протекания процесса. И как легко увидеть для изотермического процесса: Е₀=р, Па(для газов), а для адиабатного процесса Е₀=кр, Па.

Важной характеристикой, определяющей зависимость изменения плотности газа от изменения давления является скорость распространения звука – с. Для распространения звуковых колебаний в сплошной среде справедливо соотношение с²=dр/dρ, тогда с=√(Е₀/ρ). При распространении звуковой волны предполагается, что теплообмен отсутствует, процесс адиабатный. dр/dρ = кр/ρ=кRT; с=√( кRT).При температуре t=20⁰С скорость звука в воздухе 330м/с; в углекислом газе: с=261м/с; в воде: с=1480м/с.

В газовых потоках с увеличением их скорости всё сильнее проявляются эффекты сжимаемости. Считается, что сжимаемостью у газа можно пренебречь, при скоростях до 100м/с. При более высоких скоростях необходимо учитывать различия в плотности потока, связанные с различным давлением в соответствующих точках. Особенно это важно при расчёте течений в околозвуковой и сверхзвуковой области.

Аномальными называют жидкости, которые не подчиняются основному закону трения Ньютона, такие жидкости называют также Неньютоновскими. К ним например относятся: литой бетон; глинистый раствор; нефтепродукты, при температуре близкой к температуре застывания; коллоиды. В опытах установлено, что движение неньютоновских жидкостей начинается только после того, касательная напряжения достигает некоторых предельно – минимальных значений (касательная напряжения сдвига). При меньших напряжениях эти жидкости не текут, а лишь испытывают упругие деформации. В аномальных жидкостях касательная напряжения определяется по формуле Бингема: τ = τ₀+μ*du/dy, Па. u – продольная скорость; у – поперечная координата; τ₀ – начальное напряжение сдвига.

Вязкость аномальных жидкостей, называемая структурной вязкостью в отличии от вязкости ньютоновских жидкостей при заданной температуре и давлении не является постоянной величиной (которую можно найти в справочнике), а зависит от градиента скорости. Наука, изучающая аномальные жидкости называется реология.

Под идеальной жидкостью понимается такая воображаемая жидкость, которая: 1. Обладает абсолютной подвижностью, т.е. лишена вязкости. 2. Абсолютно несжимаема β_p=0. 3.Нерасширяющаяся с изменением температуры ∆V=0. 4. Абсолютно неспособную сопротивляться разрыву.

Таким образом, идеальная жидкость, называемая иногда совершенной, представляет собой некоторую модель реальной жидкости. Выводы, полученные на основе использования свойств идеальной жидкости при необходимости нужно корректировать, используя поправочные коэффициенты.