1.Основные физ-мех характеристики жидкости. Жидкость - агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости.

Основные физические свойства жидкостей

1) Плотность.ρ=m/V, где: m - масса жидкости, V - объём, занимаемый жидкостью (1000 кг/м3)

2) Удельный вес γ=G/V (9810 H/м3)

3) Сжимаемость β=(V1-V2)/(V1*(p2-p1)) (5*10^-10 Па^-1)

4) Упругость. k=1/βV=2*10^9 Па

5) Коэффициент температурного расширения βt=(V1-V2)/(V1*(t2-t1)) (0.00015 C^-1)

6) Текучесть – любая частица может испытать касательное напряжение

7) Вязкость. Динамический коэффициент вязкости μ является основной количественной характеристикой вязкости жидкостей и газов. Наряду с динамическим коэффициентом вязкости используют кинематический коэффициент вязкости ν, определяемый соотношением ν=μ/ρ [м2/с], где ρ – плотность жидкости.

2.Сжимаемость.Коэффициент объемного сжатия жидкости. Модуль объемной упругости жидкости. Сжимаемость — свойство вещества изменять свой объём при изменении внешнего давления (или другими словами, при изменении напряжений в веществе). Сжимаемость характеризуется коэффициентом объёмного сжатия

где V — это объём вещества, p — давление.

В некоторых источниках эта величина обозначается буквой  .

Приведённая выше формула является неполной, потому что коэффициент объёмного сжатия для любой системы зависит от того, является ли процесс адиабатическим илиизотермическим. Соответственно, изотермический коэффициент объёмного сжатия определяется следующей формулой:

где индекс T обозначает, что частная производная берётся при постоянной температуре.

Адиабатический коэффициент объёмного сжатия определяется следующим образом:

где S обозначает энтропию (адиабатический процесс протекает при постоянной энтропии). Для твёрдых веществ различиями между этими двумя коэффициентами обычно можно пренебрегать.

Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия называется объёмным модулем упругости, который обозначается буквой K (в англоязычной литературе — иногда B).

Иногда коэффициент объёмного сжатия называют просто «сжимаемостью».

Уравнение сжимаемости связывает изотермическую сжимаемость (и косвенно давление) со структурой жидкости.

Адиабатическая сжимаемость всегда меньше изотермической. Справедливо соотношение

,где   — теплоёмкость при постоянном объёме,   — теплоёмкость при постоянном давлении. Объёмный модуль упругости (K) характеризует способность вещества сопротивляться всестороннему сжатию. Эта величина определяет, какое нужно приложить внешнее давление для уменьшения объёма на 1 процент. Например, у воды объёмный модуль упругости составляет около 2000 МПа — это означает, что для уменьшения объёма воды на 1 % необходимо приложить внешнее давление 20 МПа. С другой стороны, при увеличении внешнего давления на 0,1 МПа объём воды уменьшается на 1/20000 часть. Единицей измерения объёмного модуля упругости является Паскаль (Па).^[1]

Объёмный модуль упругости K>0 может быть определён по формуле:

где P — давление, V — объём, ∂P/∂V — частная производная давления по объёму.Величина, обратная объемному модулю упругости, называется коэффициентом объёмного сжатия

3. Расширяемость жидкости. Коэф. температурного расширения жидкости. Расширяемость (англ. extensibility) означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, служб), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

При этом принципиально важно, что легкость расширения системы иногда может обеспечиваться в весьма ограниченных пределах. Например, локальная сеть Ethernet, построенная на основе одного сегмента толстого коаксиального кабеля, обладает хорошей расширяемостью, в том смысле, что позволяет без труда подключать новые станции. Однако такая сеть имеет ограничение на число станций — оно не должно превышать 30-40. Хотя сеть допускает физическое подключение к сегменту и большего числа станций (до 100), при этом чаще всего резко снижается производительность сети. Наличие такого ограничения и является признаком плохой масштабируемости системы при хорошей расширяемости.

Температурное расширение жидкости состоит  в том, что она может изменять свой объем при изменении температуры. Это свойство характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения, представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу (на 1^оC) и при постоянном давлении:

По аналогии со свойством сжимаемости жидкости можно записать

или через плотность

Изменение объёма при изменении температуры происходит за счёт изменения плотности.

Для большинства жидкостей коэффициент bt с увеличением давления уменьшается. Коэффициент bt с уменьшением плотности нефтепродуктов от 920 до700 кг/м³ увеличивается от 0,0006 до 0,0008; для рабочих жидкостей гидросистем bt обычно принимают не зависящим от температуры. Для этих жидкостей увеличение давления от атмосферного до 60 МПа приводит к росту btпримерно на 10 – 20 %. При этом, чем выше температура рабочей жидкости, тем больше увеличение bt. Для воды с увеличением давления при температуре до 50 ^оC  bt  растёт, а при температуре выше 50  ^оC  уменьшается.

4.Текучесть и вязкость жидкости. Динамическая вязкость. Кинематическая вязкость. характеристика находящейся в движении жидкости, определяемая скоростью ее движения, давлением и плотностью. Эти три параметра определяются тремя основными уравнениями: уравнением неразрывности, которое устанавливает соотношение между количеством жидкости, втекающей в данное место, и количеством жидкости, оттуда вытекающей; уравнением движенияЭЙЛЕРА, которое показывает, как скорость движения жидкости изменяется со временем в данном месте, и уравнением адиабаты, которое описывает теплообмен между разными частями жидкости. При несжимаемом течении, характерном для большинства жидкостей, эти уравнения сравнительно просты. Уравнения для сжимаемого течения необходимы при аэродинамических расчетах для больших скоростей потока. Жидкость называют «идеальной», подразумевая отсутствие всякого внутреннего трения или вязкости. Уравнения для реальных жидкостей сложны настолько, что полного их решения в большинстве случаев не существует. Численные решения должны осуществляться компьютерной техникой

Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла работы, затрачиваемой на это перемещение.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Различают динамическую вязкость (единицы измерения: пуаз, 0,1Па·с) и кинематическую вязкость (единицы измерения: стокс, м²/с, внесистемная единица — градус Энглера). Кинематическая вязкость может быть получена как отношение динамической вязкости к плотности вещества и своим происхождением обязана классическим методам измерения вязкости, таким как измерение времени вытекания заданного объёма через калиброванное отверстие под действием силы тяжести.

Переход вещества из жидкого состояния в стеклообразное обычно связывают с достижением вязкости порядка 10¹¹-10¹² Па·с

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

Динамический коэффициент вязкости

Внутреннее трение жидкостей, как и газов, возникает при движении жидкости вследствие переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Справедлив общий закон внутреннего трения — закон Ньютона:

Коэффициент вязкости   (динамическая вязкость) может быть получен на основе соображений о движениях молекул. Очевидно, что   будет тем меньше, чем меньше время t «оседлости» молекул. Эти соображения приводят к выражению для коэффициента вязкости, называемому уравнением Френкеля-Андраде:

Иная формула, представляющая коэффициент вязкости, была предложена Бачинским. Как показано, коэффициент вязкости определяется межмолекулярными силами, зависящими от среднего расстояния между молекулами; последнее определяется молярным объёмом вещества  . Многочисленные эксперименты показали, что между молярным объёмом и коэффициентом вязкости существует соотношение

где с и b — константы. Это эмпирическое соотношение называется формулой Бачинского.

Динамическая вязкость жидкостей уменьшается с увеличением температуры, и растёт с увеличением давления.

[править]Кинематическая вязкость

В технике, в частности, при расчёте гидроприводов и в триботехнике, часто приходится иметь дело с величиной

и эта величина получила название кинематической вязкости. Здесь   — плотность жидкости;   — динамическая вязкость (см. выше).

Кинематическая вязкость в старых источниках часто указана в сантистоксах (сСт). В систему СИ эта величина переводится следующим образом:

1 сСт = 1мм² 1c = 10^-6 м² c

5.Закон вязкого трения Ньютона. Закон вязкости (внутреннего трения) Ньютона — математическое выражение, связывающее касательное напряжение внутреннего трения   (вязкость) и изменение скорости среды  в пространстве   (скорость деформации) для текучих тел (жидкостей и газов):

,

где величина   называется коэффициентом внутреннего трения или динамическим коэффициентом вязкости (единица СГС — пуаз); с физической точки зрения она представляет собой удельную силу трения при градиенте скорости, равном единице. Кинематическим коэффициентом вязкости называется величина   (единица СГС — Стокс,   − плотностьсреды).

Закон Ньютона может быть получен аналитически приёмами физической кинетики, где вязкость рассматривается обычно одновременно с теплопроводностью и соответствующимзаконом Фурье для теплопроводности. В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

,

где   — средняя скорость теплового движения молекул,   − средняя длина свободного пробега.

6. Поверхностное натяжение жидкости.

Пове́рхностное натяже́ние — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объём системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Поверхностное натяжение имеет двойной физический смысл — энергетический (термодинамический) и силовой (механический). Энергетическое (термодинамическое) определение: поверхностное натяжение — это удельная работа увеличения поверхности при её растяжении при условии постоянства температуры. Силовое (механическое) определение: поверхностное натяжение — это сила, действующая на единицу длины линии, которая ограничивает поверхность жидкости^[1].

Сила поверхностного натяжения направлена по касательной к поверхности жидкости, перпендикулярно к участку контура, на который она действует и пропорциональна длине этого участка. Коэффициент пропорциональности   — сила, приходящаяся на единицу длины контура — называется коэффициентом поверхностного натяжения. Он измеряется в ньютонах на метр. Но более правильно дать определение поверхностному натяжению, как энергии (Дж) на разрыв единицы поверхности (м²). В этом случае появляется ясный физический смысл понятия поверхностного натяжения.

В 1983 году было доказано теоретически и подтверждено данными из справочников , что понятие поверхностного натяжения жидкости однозначно является частью понятия внутренней энергии (хотя и специфической: для симметричных молекул близких по форме к шарообразным). Приведенные в этой журнальной статье формулы позволяют для некоторых веществ теоретически рассчитывать значения поверхностного натяжения жидкости по другим физико-химическим свойствам, например, по теплоте парообразования или по внутренней энергии (подробнее о физической природе поверхностного натяжения жидкости см.соотв. статью на викиучебнике или ^[2] , ^[3])

В 1985 году аналогичный взгляд на физическую природу поверхностного натяжения, как части внутренней энергии, при решении другой физической задачи был опубликован В. Вайскопфом (Victor Frederick Weisskopf) в США (V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 19-20.; V.F.Weisskopf, American Journal of Physics 53 (1985) 618—619.).

Поверхностное натяжение может быть на границе газообразных, жидких и твёрдых тел. Обычно имеется в виду поверхностное натяжение жидких тел на границе «жидкость — газ». В случае жидкой поверхности раздела поверхностное натяжение правомерно также рассматривать как силу, действующую на единицу длины контура поверхности и стремящуюся сократить поверхность до минимума при заданных объёмах фаз.

В общем случае прибор для измерения поверхностного натяжения называется тензиометр.

Так как появление поверхности жидкости требует совершения работы, каждая среда «стремится» уменьшить площадь своей поверхности:

в невесомости капля принимает сферическую форму (сфера имеет наименьшую площадь поверхности среди всех тел одинакового объёма).

струя воды «слипается» в цилиндр.

маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготенияменьше силы, препятствующей увеличению площади жидкости.

некоторые насекомые (например, Водомерки) способны передвигаться по воде, удерживаясь на её поверхности за счёт сил поверхностного натяжения.

На многих поверхностях, именуемых несмачиваемыми, вода (или другая жидкость) собирается в капли.

]Площадь поверхности

С поверхностью жидкости связана свободная энергия

где   — коэффициент поверхностного натяжения,   — полная площадь поверхности жидкости^[4]. Так как свободная энергия изолированной системы стремится к минимуму, то жидкость (в отсутствие внешних полей) стремится принять форму, имеющую минимальную площадь поверхности. Таким образом задача о форме жидкости сводится к изопериметрической задаче при заданных дополнительных условиях (начальное распределение, объём и т. п.). Свободная капля принимает форму шара, однако при более сложных условиях задача о форме поверхности жидкости становится исключительно сложной.

Формула Лапласа