Глава 2 свойства жидкостей

§ 2.1. Основные физико-механические свойства жидкости

Жидкостями называют физические тела, легко изменяющие свою форму под действием самых небольших сил.

Различают два рода жидкостей.

1. Капельные (несжимаемые).

2. Газообразные (сжимаемые).

В гидравлике принимается, что жидкость представляет из себя сплошную среду. Для этого здесь полностью отвлекаются от внутренних молекулярных движений в жидкости и рассматривают движения элементарных объемов, достаточно больших по сравнению с расстояниями между молекулами, благодаря чему движение жидкости рассматривается не как движение большого количества дискретных частиц - молекул, а как движение непрерывной среды с непрерывно меняющимися свойствами (давление, плотность и т.д.).

Такой прием рассмотрения движения жидкости открывает широкие возможности для использования дифференциального и интегрального исчислений к решению задач гидравлики, ибо только в случае непрерывных функций эти исчисления можно успешно применять.

Рассмотрим основные физико-механические свойства жидкости: плотность, удельный вес и удельный объем.

Выделим в жидкости некоторый объем V. Пусть масса жидкости в этом объеме равна m. Тогда будет называться средней в данном объеме плотностью жидкости (если жидкость неоднородна).

Уменьшая V до нуля, находя предел

,

получим истинное значение плотности в данной точке.

Об этом пределе можно вести речь, если только жидкость считать непрерывной сплошной средой. Таким образом, плотностью жидкой среды в данной точке называется предел, к которому стремится средняя плотность в данном объеме при стремлении этого объема к нулю.

Плотность – это масса единицы объема . Если тело однородно, то удельный вес – это вес единицы объема ; так как , то или , т.е. удельный вес прямо пропорционален плотности.

Единица измерения удельного веса в системе МКГСС – кгс/м³, в системе СИ - Н/м³= кг/(м²с²). Аналогично единица измерения плотности в МКГСС - кгсс²/м⁴, в СИ - нс²/м⁴ = кг/м³. Например, для воды при g = 9,81 м/с²  = 1000 кгс/м³,  = 1000/9,81 = 101,9 кгс²/м⁴. Отметим, что числовое значение удельного веса, выраженного в кгс/м³, совпадает с числовым значением плотности, выраженной в кг/м³.

Удельный объем - объем единицы массы - есть величина, обратная плотности . Как показывают многочисленные исследования, плотность жидкости в точке есть функция давления и температуры в данной точке: . Эта зависимость носит название уравнения состояния.

Опыт показывает, что плотности капельных жидкостей с ростом давления изменяются очень мало. Например, при увеличении давления от 1 до 100 атм первоначальный объем воды уменьшается на 0,5% и, следовательно, плотность увеличивается на 0,5%. Плотность газов с ростом давления значительно растет. Плотность капельных жидкостей с ростом температуры изменяется, как правило, незначительно.

Для нефти и нефтепродуктов по формуле Менделеева имеем

,

где ₁₅ - плотность при t = 15 ⁰С;  - коэффициент объемного расширения.

При увеличении t от 15 ⁰C до 100 ⁰С плотность нефти уменьшается примерно на 7%. Плотность газов значительно меняется с температурой. Так, для идеальных газов имеет место уравнение Клапейрона или , откуда , т.е. плотность газов находится в обратно пропорциональной зависимости от температуры.