2. Загальні зведення про рідину

2.1. Фізичні властивості рідини

Рідиною називають безперервне середовище, що заповнює простір без порожнеч і проміжків і що володіє властивістю плинності.

Розглянуті в даному курсі рідини можна розділити на дві групи: краплинні – практично нестисливі чи мало стисливі рідини (вода, масло, спирт і ін.) і газоподібні – легко стисливі (повітря, гази). Характерним розходженням цих рідин є також наявність у краплинних рідин і відсутність у газів вільної поверхні – поверхні розділу між рідиною і газоподібним середовищем.

До властивостей рідини відносять щільність, стискальність, в'язкість, плинність, капілярність, поверхневий натяг, теплоємність, теплопровідність.

Щільність рідини являє собою масу однорідної речовини в одиниці об'єму

(1)

де, – маса ( ), – обсяг ( ).

Відносна щільність – безрозмірна величина, що представляє собою відношення щільності розглянутої речовини до щільності стандартної речовини у визначених фізичних умовах

(2)

де – щільність розглянутої рідини ( ), – щільність стандартної речовини при визначених фізичних умовах.

Як стандартну речовину при визначенні відносної щільності приймають: для краплинних рідин – дистильовану воду при температурі ( ) і тиску , що має щільність ; для газоподібних рідин – атмосферне повітря при стандартних умовах: температурі ( ), тиску і відносній вологості , що має щільність .

Для безпосереднього виміру щільності краплинних рідин у техніку часто використовують прилади, називані ареометрами.

Стискальність – властивість рідини змінювати свою щільність при зміні тиску і (чи) температури.

Щільність краплинних рідин при температурі і тиску відмінних від початкових, може бути знайдена з вираження

(3)

де – щільність рідини при початкових температурі і тиску; і – збільшення температури і тиску; і – коефіцієнти температурного розширення й об'ємного стиску, що представляють собою відносну зміну обсягу рідини при зміні температури чи тиску на одну одиницю:

Значення коефіцієнтів і дуже малі. Так, наприклад, в інтервалі тисків при середні значення і складають: для води , ; для мінеральних масел, застосовуваних у гідроприводах , . Тому при рішенні більшості практичних задач зміною щільності краплинних рідин при зміні температури чи тиску звичайно зневажають (виключення складають задачі про гідравлічний удар, про стійкість і коливання гідравлічних систем і деякі ін., де приходиться враховувати стискальність рідини).

На відміну від краплинних рідин щільність газів у сильному ступені залежить від температури і тиску. Розглянемо рівняння Менделєєва–Клайперона

чи чи (4)

де – абсолютний тиск; – обсяг; – маса; – молярна маса; – універсальна газова постійна; – газова постійна (для повітря , для метану ).

З цих рівнянь можна установити залежність щільності газу від температури і тиску

(5)

де і – щільності газу відповідно при нових тиску і температурі і початкових тиску і температурі .

Оцінити стискальність рідин можна й іншим образом. Так, у стані спокою характерним параметром стискальності рідини є швидкість поширення в ній звукових коливань (швидкість звуку).

(6)

де – збільшення тиску; – збільшення щільності рідини; – об'ємний модуль пружності рідини.

Чим більше швидкість звуку, тим менше стискальність даної рідини, і навпаки.

Для оцінки стискальності рідини, що рухається, користуються звичайно не абсолютним значенням швидкості звуку, а відношенням швидкості потоку до швидкості звуку в даній рідині, що називається числом Маха

(7)

Якщо швидкість руху рідини мала в порівнянні зі швидкістю поширення в ній звуку тобто число Маха значно менше одиниці, то незалежно від абсолютного значення швидкості звуку краплинну рідину (чи газ) при такому русі можна вважати практично нестисливою.

В'язкість – властивість рідини чинити опір відносному руху (зрушенню) часток рідини. В'язкість є найбільш важливою фізичною властивістю рідини.

При русі реальної рідини внаслідок її в'язкості між сусідніми шарами рідини, а також рідиною і стінками русла виникають сили внутрішнього тертя і викликані ними дотичні напруження, спрямовані убік, протилежну руху, що приводить до розходження швидкостей часток у різних шарах потоку і їхньої деформації (зрушенню).

Я кщо представити потік, який складається з окремих шарів нескінченно малої товщини (рис. 1), то швидкості цих шарів будуть змінюватися за деяким законом від нуля (у стінки) до максимуму (у центрі потоку). Нехай швидкості сусідніх шарів будуть і . У прямолінійному русі можна розглядати як швидкість деформації, а градієнт швидкості як кутову швидкість деформації.

Відповідно до гіпотези І.Ньютона, висловленої їм у 1686 р., а потім експериментально і теоретично обґрунтованої в 1883 р. Н.П.Петровим, сила внутрішнього тертя , що виникає між двома шарами рідини, яка прямолінійно рухається, прямо пропорційна поверхні дотичних шарів, градієнту швидкості, залежить від роду рідини і температури і не залежить від тиску

(8)

де – динамічна в'язкість.

Рідини, у яких сили внутрішнього тертя не підкоряються рівнянню (8), називаються аномальними чи не ньютонівськими. До них відносяться деякі масла при негативних температурах, колоїди, парафінисті нафтопродукти при низьких температурах. Вода, повітря, спирт, більшість масел, застосовуємих у гідроприводах, і ін. відносяться до звичайних, тобто ньютонівським рідинам.

Розділивши обидві частини рівняння (8) на , одержимо дотичне напруження (напруга сили тертя)

(9)

З рівняння (9) випливає, що динамічна в'язкість чисельно дорівнює дотичній напрузі при градієнті швидкості , рівній одиниці, тобто має цілком визначений фізичний зміст і цілком характеризує в'язкість рідини

(10)

При виконанні технічних розрахунків у гідравліці звичайно користуються кінематичною в'язкістю , що представляє собою відношення динамічної в'язкості до її щільності

(11)

У системі СГС розмірність динамічної в'язкості складає (на честь Пуазейля), , розмірність кінематичної в'язкості (на честь Стокса), .

У найменуваннях марок масел, застосовуємих як для змащення машин, так і як робочу рідину для гідроприводів, фігурує число, що означає кінематичну в'язкість у сантистоксах (у СІ це число можна трактувати як кінематичну в'язкість в) .

Через відсутність методів безпосереднього виміру коефіцієнтів динамічної і кінематичної в'язкості рідин застосовують умовні (відносні) одиниці в'язкості. При цьому враховують час витікання із судини через визначений калібрований отвір деякого обсягу рідини при постійній температурі. Так, в'язкість в умовних чи одиницях у градусах Енглера ( чи ), прийнята для виміру в СНД, означає відношення часу витікання рідини в секундах вчасно витікання ( ) через отвір діаметром спеціального приладу – віскозиметра.

У США в'язкість вимірюють у секундах Сейболта, в Англії – у секундах Редвуда, у Франції – у градусах Барб'є.

Для перекладу умовної в'язкості від градусів Енглера до кінематичної в'язкості в ( ) можна користатися емпіричною формулою Уббелоде

(12)

В'язкість залежить від роду рідини, її температури і тиску. Зі збільшенням температури в'язкість краплинних рідин зменшується, а газоподібних – збільшується. Залежність в'язкості від температури для різних рідин різна і виразити її аналітично загальним рівнянням не представляється можливим. При виконанні розрахунків можна скористатися наступними залежностями :

для повітря

(13)

для води

(14)

для мінеральних масел, застосовуваних у гідроприводах в інтервалі температур і при в'язкості до

(15)

де і – кінематична в'язкість відповідно при даній температурі і при ; – температура ; – показник ступеня, значення якого в залежності від приведена в таблиці 1.

Таблиця 1.

Визначення величини

	1,2	1,5	1,8	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	2,8	6,25	9,0	11,8	21,2	29,3	37,3	45,1	52,9	60,6	68,4	80,0
	1,39	1,59	1,72	1,79	1,99	2,13	2,24	2,32	2,42	2,49	2,52	2,56

Характер зміни в'язкості рідин при зміні тиску різний і залежить від початкової в'язкості і температури. Для більшості краплинних рідин з підвищенням тиску в'язкість трохи збільшується.

В'язкість мінеральних масел у межах тисків змінюється практично лінійно і може бути обчислена по формулі

(16)

де і – кінематична в'язкість відповідно при тиску й атмосферному тиску; – досвідчений коефіцієнт (при розрахунках систем гідроприводів у межах зазначених тисків приймається рівним ); – тиск, при якому визначається в'язкість, .

Величина, зворотна динамічної в'язкості , називається плинністю – здатністю рідини займати форму судини, у який вона налита.

Теплоємність рідини характеризує кількість тепла, необхідного для нагрівання рідини на .

Теплоємність мінеральних масел у залежності від температури визначають по формулі

(17)

де – температура олії, ; – щільність рідини, при .

У діапазоні від до для води , для мінеральних масел .

Теплоємність суміші масел

(18)

де , , , – теплоємності компонентів суміші; , , , – маси компонентів.

Теплопровідність рідини характеризує здатність рідини проводити тепло. Коефіцієнт теплопровідності мінеральних олій залежить від температури

(19)

де – коефіцієнт, що залежить від сорту масла; для машинних масел , для веретенних масел .

Вода при має теплопровідність , мінеральне масло при .

Теплопровідність масла в раз менше теплопровідності води й у раз менше теплопровідності стали:

і

Поверхневий натяг і капілярність. На поверхні розділу краплинної рідини і газу діють сили поверхневого натягу, що прагнуть додати об'єму рідини сферичну форму (особливо це видно на малих об'ємах) і викликають в ній додатковий тиск , де – радіус сфери, ; – коефіцієнт поверхневого натягу, пропорційний щільності рідини і газового середовища, що знаходиться над рідиною, .

Для води (при ).

Тиск спрямований до центра кривизни сфери, і його наявність порозумівається явище капілярності, що полягає в тім, що у відкритих трубках малого діаметра (капілярних трубках), занурених одним кінцем у резервуар з рідиною, рівень рідини при увігнутому меніску установлюється вище рівня в резервуарі (якщо рідина змочує поверхню трубки) чи при опуклому меніску – нижче рівня в резервуарі (якщо рідина не змочує поверхню трубки). Висоту підняття чи опускання рідини в трубці обчислюють по формулі

(20)

де – діаметр трубки.

Паротворення – властивість рідин змінювати свій агрегатний стан на газоподібне. Паротворення, що відбувається на поверхні рідини, називається випаром, по всьому обсягу рідини – кипінням.

Тиск, при якому рідина закипає при даній температурі, називається тиском паротворення (чи тиском, пружністю насичених парів) . Величина , залежить від роду рідини і її температури. Залежність тиску паротворення від температури для деяких рідин показана в таблиці 2.

Розчинність газів у рідинах характеризується коефіцієнтом розчинності , що визначається відношенням об'єму розчиненого газу (приведеного до нормальних умов – і ) до об'єму рідини

Таблиця 1.2

Тиск паротворення ( ) у залежності від температури

Рідина	Температура, 0С
	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
Вода	0,6	2,4	7,5	20,2	48,2	103	230	465
Масло “Индустр.20”				0,4	0,8	1,8	3,1	5,8	11,1	23,8
“Индустр.50”						0,14	0,3	0,7	1,6	3	5,8

. Коефіцієнт розчинності повітря складає при і для води – , для мінеральних масел – .

Розчинність газів з підвищенням щільності, в'язкості і температури рідини знижується. Обсяг газу, що може розчинитися в рідині при тиску до її повного насичення, визначається за законом Генрі формулою

(21)

Розчинене в маслі повітря містить кисню на більше, ніж в атмосфері.

Зниження тиску рідини в якому-небудь місці гідросистеми приводить до виділення повітря з рідини у виді дрібних пухирців і утворенню піни. Піна утвориться також при засмоктуванні повітря в систему через негерметичні з'єднання, а також при зливі рідини в резервуар через незатоплені труби.

Піна – це з'єднання мікроскопічних пухирців повітря, розділених рідинною плівкою мікронної товщини. Піна знижує властивості рідини, що змазують, прискорює її окислювання, корозію, приводить до кавітації.

Кавітацією називається місцеве виділення з рідини в областях зниженого тиску її пар і газів (скіпання рідини) з наступним руйнуванням пухирців газу при влученні їх в область підвищеного тиску і виникненням гідравлічних мікроударів, що супроводжуються великим місцевим підвищенням температури (до ) і тиску (до ). Кавітація приводить до місцевих руйнувань деталей гідромашин і гідроапаратури.

Піна утворюється тим інтенсивніше, чим нижче поверхневий натяг і тиск (пружність) насиченої пари рідини. Інтенсивність піноутворення залежить від властивостей рідини. Спінюванню рідини сприяє наявність у ній води (навіть по об'єму), омилення рідини в результаті хімічної взаємодії з деякими металами і їх покриттями (наприклад, полудою). Особливо схильні до піноутворення силіконові рідини.

Наявність у рідині пухирців повітря значно збільшує її стискальність (знижує об'ємний модуль пружності), зменшує щільність і порушує суцільність руху. Так, при вмісті повітря біля приведений модуль рідини АМГ-10 при знижується з до .

Кислотне число. Кислоти, що містяться в маслі, діють на метали й утворюють металеві мила, що випадають у виді шламу і засмічують трубопроводи і гідроустаткування. Кислотне число визначається кількістю їдкого калію (КОН) у , необхідного для нейтралізації вільних кислот в масла. Якщо кількість КОН менш масло вважається нейтральним. Максимально припустимим вважають кислотне число, рівне КОН.

Зміст водорозчинних кислот і лугів в маслах викликає інтенсивну корозію металевих деталей, причому кислоти діють на залізо і його сплави, а лугу діють на кольорові метали і є каталізатором при окислюванні масла.

Зольність – це виражений у відсотках залишок (у виді окислів і солей), отриманий від спалювання і прожарювання масла.

Коксівність – це властивість мінерального масла під впливом високих температур утворювати і виділяти вуглецевий осад (кокс), що засмічує канали і зазори між рухливими деталями. Мірою коксівності є коксове число – кількість опадів, одержуваних у результаті прожарювання масла при .

Температура застигання – температура, при якій рідина загустиває настільки, що при нахилі на кут рівень масла в ній залишається нерухомим у плині .

Температура спалаху – температура, при якій пари масла, нагрітого в обговорених ДСТ умовах, утворять з навколишнім повітрям суміш, що спалахує при піднесенні до неї полум'я.

Температура запалення – температура, при якій масло, що нагрівається, загоряється при піднесенні до нього полум'я.

Колір рідини визначається шляхом порівняння з кольором еталонного чи скла стандартного розчину в спеціальному приладі – колориметрі.

Здатність рідини до змащення – здатність мастильної плівки знижувати тертя між тертьовими, поверхнями. Здатність до змащення, тим вище, чим нижче опір плівки дотичним і вище опір нормальним навантаженням. Для зменшення тертя і зносу до складу рідин уводять тваринні і рослинні жири чи жирні кислоти, органічні сполуки на основі сірки, фосфору, хлору, свинцеві мила, сірчисті з'єднання молібдену, вольфраму й ін.

Властивості рідини до змащення, погіршуються при її багаторазовому, великому дроселюванні – протіканні через малі отвори з великим перепадом тиску. Така втрата властивості змащення, супроводжується зниженням в'язкості і відбувається в результаті молекулярно-структурних змін у рідині – деструкції.

Стійкість до окислення. Продукти реакції рідини з повітрям звичайно мають кислотні властивості і викликають корозію деталей гідроустаткування. Умови для окислювання рідин – наявність розчиненого повітря, присутність кисню, підвищена температура в місці контакту з повітрям (при підвищенні температури на швидкість окислювання практично подвоюється), наявність металів, наявність механічних домішок, наявність води в рідині (вода - каталізатор), обурений рух рідини, піноутворення. У результаті окислювання випадають смолисті відкладення, знижується в'язкість, відбувається втрата робочих властивостей.

Набагато небезпечніше повільного окислення рідини можливість її запалення чи вибуху внаслідок утворення вибухонебезпечної суміші дрібно розпиленого масла з повітрям (така небезпека велика при застосуванні гідравлічних приводів на транспортних машинах із двигуном внутрішнього згоряння, на металургійних машинах, де мається розплавлений метал, шлак, розпечені злитки металу).