МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЛУХТУРА Ф.И.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выолнению лабораторной работы №1

"ДАВЛЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ"

МАРИУПОЛЬ ПГТУ 2004

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

"ДАВЛЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ МАШИНЫ "

(для студентов дневной и заочной формы обучения

специальностей 8.090.510 –ПТЭ , 8.090603 – ЭПП,

8.092501 – МА, 8.092301- Бсв)

Утверждено на заседании кафедры промышленных и теплоэнергетических установок и теплоснабжения.

Протокол №2 от 11.10.03.

Мариуполь ПГТУ 2004

УДК 621.221. (0.77)

Методические указания к выполнению лабораторной работы "Давление и физические свойства жидкостей. Гидростатические машины" (для студентов очной и заочной формы обучения специальностей 8.090.510 - ПТЭ, 8.090603 – ЭПП, 8.092501 – МА, 8.092301- Бсв)/ Сост. Ф.И. Лухтура. – Мариуполь, ПГТУ, 2004. - 39 с.

Сформулированы цель и задачи лабораторной работы. Изложены необ­ходимые теоретические основы для изучения основных свойств жидкости и газа, основные положения раздела аэрогидростатики. Приведены приборы для измерения давления в лабораторных условиях и на производстве. Даны описания и принцип работы этих устройств. Приводится список рекомендуемой литературы и контрольные вопросы для подготовки.

Составитель Ф.И. Лухтура, ст. преп.

Отв. за выпуск В.Н. Евченко, доц.

Рецензент Г.С. Сапрыкин, доц.

1 Цель и задачи лабораторного занятия

Цель лабораторной работы – ознакомление с основными свойствами жидкостей, приборами для измерения избыточного давления и вакуума, наиболее часто встречающимися в лабораторных условиях и на производстве, пневмогидростатическими машинами.

2 Физические свойства жидкостей

Жидкость является дискретной средой, однако в механике жидкости и газа она обычно рассматривается как сплошная материальная среда, в которой не учитывается ее молекулярная структура, т.е. аэрогидромеханика является ветвью механики сплошной среды. Предположение о сплошности жидкой среды, называемое гипотезой сплошности (непрерывности) жидкой среды, было введено в науку Даламбером и Эйлером. При таком предположении жидкость в целом рассматривается как континуум – сплошная среда, непрерывно заполняющая пространство без пустот и разрывов. Гипотеза непрерывности среды позволяет рассматривать характеристики покоящейся и движущейся жидкости (давление, скорость и др.) как непрерывные функции координат и времени, что позволяет применить аппарат математического анализа, разработанный для непрерывных функций.

Вполне очевидно, что применение теоретических выводов, в основе которых лежит гипотеза сплошности жидкой среды, ограничено, с одной стороны, размерами частиц, сравнимыми с молекулярными, с другой – количеством молекул, находящихся в рассматриваемом объеме. Так, например, гипотеза сплошности не применима для сильно разреженных газов. Пределы применимости гипотезы сплошности и законов аэрогидромеханики определяются величиной так называемого критерия Кнудсена, который равен , где  - длина свободного пробега молекул газа; L – характерный размер обтекаемого тела.

В механике сплошной среды жидкости и газы при их изучении рассматриваются как тела одного рода, подразделяя их на два вида: сжимаемые жидкости (газы) и несжимаемые (капельные) жидкости. Капельная жидкость - физическое тело (непрерывная среда), обладающее свойством текучести, т.е. способная неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, но в отличие от газа мало изменяющая свою плотность и объем при изменении давления и температуры.

Жидкость считают однородной, если плотность ее во всех точках одна и та же. Плотность  - масса жидкости в единице объема. Для однородной жидкости

; (кг/м³ – в системе СИ), (2.1)

где m – масса жидкости в объеме V.

Удельный (объемный) вес  - вес жидкости в единице объема:

; (н/м³  кг/м²с² – в системе СИ). (2.2)

Удельный вес и плотность связаны между собой зависимостью , где g  9,80665 м/с²  9,81 м/с² - ускорение свободного падения на средних широтах (изменяется в пределах 9,781  9,832; минимальное значение на экваторе, максимальное – на полюсе).

Относительный вес  - безразмерная величина, равная отношению весa или массы данной жидкости к весу или массе дистиллированной воды и взятой в том жe объеме при 4 ⁰С.

; (2.3)

Удельный вес и плотность зависят от давления и температуры. Значения плотности, удельного веса некоторых жидкостей приведены в табл. 1 и 2 Приложения. Плотность и удельный вес жидкостей уменьшаются с возрастанием температуры.

Сжимаемость - свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объёмного сжатия.

(2.4)

Знак минус в формуле обусловлен тем, что положительному приращению функции соответствует отрицательное приращение (уменьшение) объема. Если приращение давления dp = p - p₀, а изменение объема dV = V - V₀, то

(2.5)

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости:

(2.6)

Температурное расширение – способность жидкости изменять свой объем под действием температуры и количественно характеризуется коэффициентом температурного расширения

(2.7)

Объем жидкости при изменении температуры на величину dt = t - t₀ вычисляется по формуле

(2.8)

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Относительный сдвиг слоев, происходящий при этом, характеризуется изменением скорости dw/dy. И.Ньютон установил, что касательные напряжения в жидкости (ньютоновские жидкости) пропорциональны dw/dy:

, (2.9)

где  - коэффициент пропорциональности, называемый динамическим коэффициентом вязкости.

Коэффициент вязкости является одной из физических характеристик жидкости при определенном ее состоянии. Чем больше коэффициент вязкости, тем большее касательное напряжение будет возникать при прочих равных условиях. Размерность динамического коэффициента вязкости : Пас – в системе СИ; в системе СГС - пуаз (Пз).

Характеристикой вязкости является также кинематический коэффициент вязкости  [м²/с – в системе СИ; в системе СГС – стокс (Ст)]: (1м²/с = 10⁴ Ст; 1 Пас = 10 Пз). Динамический и кинематический коэффициент вязкости связаны соотношением .

Динамический коэффициент вязкости газа может быть определен по формуле Саттерленда

(2.10)

где величина С – постоянная Саттерленда, зависит от рода газа и ее значения для некоторых газов приведены в табл. П3 Приложения.

Динамическая вязкость газовой смеси _см может быть вычислена из следующего соотношения

, (2.12)

где _см , _i – соответственно молекулярные массы смеси и отдельных ее компонентов, кг/кмоль;

r_i – объемные доли компонентов газа в смеси.

Для воды динамический коэффициент вязкости определяется по формуле Пуазейля

, (2.11)

где t измеряется по шкале Цельсия.

Вязкость жидкости зависит в значительной мере от природы жидкости, от температуры (для капельных с повышением – уменьшается) и давления (с увеличением давления – вязкость большинства капельных жидкостей возрастает) (табл. 4 и 5). Вследствие физического различия (при низких давлениях) между вязкостью газа и капельной жидкости при возрастании температуры и давления вязкость газа увеличивается (табл. 6 и 7). При очень высоких давлениях вязкость газа подобно капельной жидкости с ростом температуры падает.

Вязкость капельной жидкости определяют при помощи приборов, называемых вискозиметрами. Вязкость жидкостей и особенно масел часто выражается в градусах Энглера (⁰Е) (табл. 8) и пересчет в стоксы производится по эмпирической формуле Убеллоде:

(2.13)

В идеальных жидкостях и газах пренебрегают не только вязкостью, но и переносом тепла и вещества. В реальной жидкости имеют место процессы теплопереноса и диффузии в покоящихся и движущихся жидкостях. Законы переноса тепла и массы имеют вид, аналогичный закону трения Ньютона. Перенос тепла определяется законом Фурье , а перенос вещества – законом Фика , где q и W – количества тепла и вещества, переносимые через единицу площади в единицу времени; Т и с – температура и концентрация вещества в потоке;  и D – соответственно коэффициенты теплопроводности и диффузии.

Теплопроводность связана с вязкостью. Коэффициент теплопроводности , как и коэффициент вязкости , зависит главным образом от температуры.

Растворение газов. Вес жидкости в той иной мере погло­щают и растворяют газы, т.е. обладают способностью растворять газы. Эта способность различна у различных жидкостей и зависит как от состояния жидкости, так и от вида растворяемых в ней газов. Согласно закону ГенриДальто­на при давлениях до 30 МПа и постоянной температуре относительный объем V₁/V_ж растворенного газа равен по­стоянной величине k_p , называемой коэффициентом растворимости. Коэффициент растворимости зависит от температуры.

Если процесс растворения происходит при давлении р₂, то, пересчитав объем газа на некоторое эталонное давление p₁ (например, на атмосферное), получим соотношение

(2.14)

где V_ж  объем жидкости при давлении р₂ и температуре t;

V_г  объем растворенного газа, отнесенный к давлению р₁ и температуре t;

k_р  коэффициент растворимости данного газа в данной жидкости при температуре t.

При температуре 20"С и атмосферном давлении в воде содержится около 2% (точнее 1,6 %) растворенного возду­ха по объему (k_p = 0,016). С увеличением температуры от 0 до 30°С коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Кис­лород отличается более высокой растворимостью, чем воз­дух. Поэтому содержание кислорода в растворенном в жидкости воздухе примерно на 50 % выше, чем в атмос­ферном воздухе. Коэффициент растворимости воздуха в мас­лах при температуре 20°С равен примерно 0,08  0,10. Растворимость воздуха в минеральных маслах увели­чивается с повышением температуры масла. Интенсивность раст­ворения газов в жидкости зависит от поверхности соприкоснове­ния жидкости с газом; при взбалтывании жидкость часто вспени­вается, при этом поверхность соприкосновения жидкости с газом значительно увеличивается и время насыщения жидкости газом может уменьшаться до нескольких минут.

При уменьшении давления из жидкости выделится объем газа в виде пузырьков в соответствии с (2.14), образуя механическую смесь газа с жидкостью, которая отрица­тельно влияет на работу гидравлических систем и гидропривода вследствие увеличения сжимаемости рабочей жидкости. Процесс вы­деления газа протекает интенсивнее, чем растворение.

Парообразование – свойство капельных жидкостей изменять свое агрегатное состояние на газообразное. Парообразование, происходящее лишь на поверхности капельной жидкости, называется испарением. Парообразование по всему объему жидкости называется кипением. Оно происходит при определенной температуре, зависящей от давления. Давление, при котором жидкость закипает при данной температуре, называется давлением насыщенных паров или давлением парообразования p_н.п. , величина которого зависит от рода жидкости и ее температуры (табл.1.1).

Таблица 1.1 - Значения р_н.п. (МПа) воды при различной температуре

0С	МПа	0С	МПа	0С	МПа	0С	МПа
0	0,0006	25	0,0032	60	0,0202	90	0,0714
5	0,0009	30	0,0043	70	0,0317	100	0,1033
10	0,0012	40	0,0075	75	0,0392	125	0,2370
20	0,0024	50	0,0126	80	0,0482	150	0,4850

Кавитацией жидкости называется случай, когда пузырьки пара (или паровоздушные пузырьки), появляющиеся при соотношении в движущейся жидкости, не выходят из неё, а захлопываются (закрываются) внутри жидкости (например, из-за перемещения их в область высокого давления).

Кипение и замерзание жидкости (переход воды в газообразное и твердое состояние), приводящие к нарушению сплошности и непрерывности жидкости, являются особыми состояниями жидкости.

К прочим свойствам капельных жидкостей можно отнести поверхностное натяжение. Для жидкостей, используемых в качества топлива, смазки, теплоносителей, рабочих и других целей, большое значение имеют такие свойства как испаряемость, теплоемкость, теплопроводность, показатель преломления, химическая, механическая и радиационная стойкость, коррозионность и другие, сведения о которых приводятся в специальных справочниках и пособиях.