17

. Жидкость и ее основные физические свойства

В природе различают четыре агрегатных состояния вещества:

• твердое;

• жидкое;

• газообразное;

• плазменное.

Состояние вещества определяется его атомно-молекулярным строением. Оно и диктует характерные физические свойства веществ.

С точки зрения физических свойств жидкость – это тело, обладающее текучестью.

Жидкость – физическое тело, изменяющее свою форму под действием сил незначительной величины.

Различают жидкости капельные и газообразные (газы). Текучестью характеризуются как капельные жидкости, так и газы. В нашем курсе мы будем рассматривать в основном капельные жидкости.

Примером капельных жидкостей могут быть:

• вода;

• нефть и нефтепродукты;

• минеральное масло;

• ртуть;

• спирт;

• расплавленные металлы.

Учитывая назначение курса, законы равновесия и движения жидкостей нами будут рассматриваться применительно к такой жидкости, как вода.

Капельная жидкость – есть физическое тело, обладающее двумя особыми свойствами:

1. Она весьма мало изменяет свой объем при изменении давления или температуры. В этом отношении капельная жидкость сходна с твердым телом;

2. она обладает текучестью, благодаря чему жидкость не имеет собственной формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится. В этом отношении жидкость является сходной с газом.

Таким образом, капельные жидкости по своей атомарно-молекулярной структуре занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. В силу этой специфики капельные жидкости имеют физические свойства, характерные для тех и других.

Основными физико-механическими характеристиками жидкости являются плотность и удельный вес.

Обозначение плотности – ρ [кг/м³].

Плотность однородной жидкости – есть отношение ее массы (М) к ее объему (V):

Будем называть жидкость однородной, если для данного состояния тела при постоянной температуре и неизменном давлении плотность будет иметь одно и то же значение для любых малых частей рассматриваемого объема.

Плотность пресной воды при температуре 4° С составляет 1000 кг/м³.

Определение плотности жидкости можно производить как непосредственно взвешиванием ее, так и с использованием закона Архимеда, применяя так называемый ареометр.

Ареометр представляет собой удлиненную пустотелую стеклянную трубку, в верхней узкой части которой имеется шкала плотности (или удельного веса) жидкости, а в нижней широкой части – шкала температуры жидкости.

Помещенный в сосуд с жидкостью ареометр плавает в вертикальном положении благодаря грузу в его нижней части (обычно ртуть или дробь).

Удельным объемом, v [м³/кг] называется объем, занимаемый единицей массы жидкости, т.е.

.

Удельный объем представляет собой величину, обратную плотности:

.

Обозначение удельного веса – γ [Н/м³].

Удельным весом однородной жидкости называется вес (G) единицы объема этой жидкости (V).

Удельный вес пресной воды при температуре 4° С составляет:

γ = 9810 Н/ м³

Удельный вес является векторной величиной. Он не является параметром вещества, т.к. его значение зависит от ускорения свободного падения в пункте определения.

Между удельным весом и плотностью существует зависимость:

γ = ρg

Относительным удельным весом жидкости  называется отношение ее удельного веса к удельному весу пресной воды при температуре 4С:

.

Значения плотности воды и других жидкостей приводятся в справочной литературе.

Плотность и удельный вес газов имеют различное значение при изменении давления и температуры.

Для воздуха при нормальных условиях (температура Т = 0С, атмосферное давление р_ат = 101325 Па (760 мм рт. ст.):

 = 1,29 кг/м³;  = 12,6 Н/м³

В условиях работы дорожно-транспортных сооружений температура воды обычно колеблется в пределах 0 - 20С и следовательно плотность и удельный вес в практических расчетах можно принимать постоянными и равными:

 = 1000 кг/м³;  = 9810 Н/м³

Сопротивление жидкостей изменению своего объема характеризуется коэффициентами объемного сжатия _v и температурного расширения _t.

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия, численно равным относительному уменьшению объема W (увеличению плотности) при повышении на единицу давления p:

,

или

,

или

.

Коэффициент объемного сжатия воды имеет разные значения при изменении температуры:

0 - 5,02  10^-10 Па^-1

10 - 4,82 - // -

20 - 4,65 - // -

30 - 4,56 - // -

При выполнении гидравлических расчетов, когда в условиях расчетов не уточняется температура воды значение коэффициента объемного сжатия можно принимать равным: _v = 5  10^-10 м²/Н.

Коэффициент объемного сжатия воды при изменении давления от 0,1 до 50 МПа (10 – 5000 м вод. ст.) практически остается без изменения.

При изменении давления в воде на 200 ат ее объем изменяется лишь на 1 %.

В связи с этим при решении многих практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Допущение о несжимаемости жидкости чрезвычайно упрощает аналитические выкладки и позволяет получать вполне приемлемые результаты для большинства решаемых в гидравлике вопросов. В то же время такое допущение противоречит молекулярно-кинетической природе жидкостей.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем объемной упругости K, Па

_.

Модуль упругости измеряется в Паскалях [Па].

Для воды модуль упругости в зависимости от температуры составляет:

0 С - 1,99  10⁹ Па

10С - 2.07 - // -

20С - 2,15 - // -

30С - 2,19 - // -

В среднем для воды значение модуля упругости составляет: К = 2  10⁹ Па.

Наименование жидкости	Удельный вес	Модуль упругости
	Н/м3	х 109 , Па
Вода	9810	2,07
Керосин	8000	1,4
Турбинное масло	9000	1,7
Индустриальное масло (12, 20, 30, 45, 50)	9000	1,4 – 1,7
Масло АГМ - 10	850	1,33

Cжимаемость жидкостей меньше сжимаемости газов, но по сравнению со сжимаемостью твердых тел, например, металлов или других строительных материалов, она сравнительно велика. Сжимаемость воды примерно в 100 раз больше сжимаемости стали.

Различают адиабатический и изотермический модуль упругости. Первый несколько больше второго и проявляется при быстротечных процессах сжатия жидкости без теплообмена. Приведенные выше значения модуля упругости являются значениями изотермического модуля.

Расширение жидкости при нагревании характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения (коэффициентом температурного расширения) _t, [C^-1], который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры на один градус:

,

или

.

Среднее значение коэффициента температурного расширения для воды составляет 0,00015 С^-1.

При изменении температуры вода на 70^о С ее первоначальный объем изменяется лишь на 1 %.

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4С уменьшается. При 4С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес. При дальнейшем нагревании объем воды увеличивается.

Коэффициент объемного расширения воды увеличивается с возрастанием давления и температуры от при 0^оС и давлении Па до при 100^оС и давлении Па.

При решении большинства задач транспортного строительства можно считать, что жидкость (вода) практически не сжимается при изменении давления и не меняет свой объем при колебаниях температуры.

Газы также можно считать несжимаемой средой в случаях движения, когда относительные изменения плотности малы. К воздуху это относится при скоростях течения до 70 м/с и относительно малых перепадах давления.

Процессы сжатия и расширения газов подчиняются известным из термодинамики законам Бойля-Мариотта и Гей-Люссака для идеальных газов.

Закон Бойля-Мариотта выражается зависимостью:

,

где V₁ и V₂ - объемы газа при постоянной температуре, соответственно при давлениях р₁ и р₂.

Закон Гей-Люссака устанавливает связь между объемом и температурой газа при постоянном давлении и характеризуется уравнением:

где Т₁ и Т₂ - абсолютные температуры, т.е. температуры, измеренные в Кельвинах (К).

Соотношение между абсолютной температурой Т и температурой t , измеренной в градусах Цельсия ( ^о С):

Уравнения, выражающие законы, вытекают из уравнения состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева:

,

где R₀ - удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящяя от температуры и давления. Для воздуха R₀ = 287 Дж/(кг К).

Если на часть покоящегося объема жидкости в течение определенного времени действует сколь угодно малая сила, то это вызывает сдвиг частиц относительно друг друга – течение жидкости.

Текучестью жидкости называют ее способность неограниченно деформироваться под действием приложенной силы.

Свойство текучести говорит о том, что в состоянии равновесия текучие жидкости не воспринимают касательных напряжений.

Благодаря свойству текучести жидкости в обычных условиях, как и газы, практически не воспринимают и растягивающие усилия.

Вязкость – свойство жидкости, обуславливающее возникновение касательных напряжений при ее движении.

Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) ее частиц.

Это свойство проявляется в том, что при перемещении одних слоев жидкости относительно других (рядом расположенных), в жидкости возникают силы трения.

Силы трения способствуют тому, что слой жидкости движущийся быстрее, увлекает слой жидкости, движущийся медленнее, и наоборот. Благодаря силам трения происходит преобразование гидравлической энергии движущейся жидкости в тепловую энергию.