Основные физические свойства жидкостей. Идеальная и реальная жидкости

Предмет гидравлики, основные понятия и методы

Гидравлика — это наука, которая изучает законы покоя и движения жидких тел и рассматривает их приложения к решению конкретных технических задач.

Гидравлика — одна из самых древних наук в мире, состоящая из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Гидростатика изучает законы равновесия (покоя) жидкости, гидродинамика — законы движения жидкостей.

Наиболее важными физическими свойствами жидкостей являются плотность, сжимаемость и вязкость. Плотностью жидкости называется количество вещества, содержащегося в единице объема.

Сжимаемость — способность жидкости уменьшать объем под действием внешних нагрузок. Вязкость — способность жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Из других характеристик жидкости для пожарных важны свойства температурного расширения, парообразования и поверхностного натяжения. Температурное расширение — способность жидкости изменять объем под влиянием температуры.

Парообразование — способность жидкости переходить из жидкого в газообразное состояние. Процесс парообразования на поверхности жидкости, происходящий независимо от температуры и давления, называют испарением. Процесс парообразования в толще жидкости происходит при определенных температурах и давлении, и его называют кипением.

Поверхностное натяжение — способность жидкости образовывать устойчивую пленку на поверхности раздела с газом.

Напо́р, в гидравлике и гидродинамике — давление жидкости, выражаемое высотой столба жидкости над выбранным уровнем отсчёта. Выражается в линейных единицах.

Давление. Силы, действующие на жидкость, делятся на поверхностные (силы давления, внутреннего трения) и массовые (силы тяжести, инерции). Поверхностные силы, действующие на покоящуюся жидкость, распределены по ее граничным поверхностям и могут быть только нормальными (перпендикулярными) к этим поверхностям. Сила, действующая на единицу площади поверхности жидкости перпендикулярно к этой поверхности, называется гидростатическим давлением. Давление измеряют в паскалях (Па) или в метрах водяного столба (м вод. ст.). Паскаль — давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 м2. Различают давление абсолютное, атмосферное и избыточное. Если при определении гидростатического давления принимают во внимание и атмосферное давление, действующее на свободную поверхность жидкости, то давление называют абсолютным.

Значение атмосферного давления зависит от высоты расположения места над уровнем моря. Например, атмосферное давление на уровне моря примерно равно 105 Па (10,33 м вод. ст.), на высоте 5,5—6 км — в 2 раза меньше.

Избыток абсолютного давления над атмосферным называют избыточным, или манометрическим, давлением. Давление меньше атмосферного — вакуум, или отрицательное избыточное давление.

В пожарной охране для измерения давления используют манометры и мановакуумметры. Основной деталью манометра является согнутая по дуге окружности полая трубка, имеющая в сечении овальную форму. Один конец трубки запаян. Измеряемое давление подводят внутрь трубки через ее открытый конец. Под действием давления трубка стремится выпрямиться за счет разности давлений на ее внешнюю и внутреннюю стороны. При выпрямлении стрелка манометра, связанная со свободным запаянным концом трубки через передаточный механизм, поворачивается на некоторый угол, пропорциональный величине измеряемого давления. Некоторые трубчатые манометры измеряют как избыточное давление, так и вакуум. Такие приборы называют мановакуумметрами. При разрежении пружинная трубка сжимается, что фиксируется передаточным устройством.

Расход. Движущийся поток жидкости имеет скорость v и давление Р. Поток считают установившимся, если скорость и давление в точках потока не изменяются во времени. Обычно расходом называют количество жидкости, протекающей через поперечное сечение потока F в единицу времени. В гидравлике обычно имеют дело с объемным расходом, который измеряют в литрах в секунду или в минуту (л/с, л/мин) или в кубических метрах в час (м3/ч).

Одним из прикладных разделов гидромеханики является гидравлика, которая решает определенный круг технических задач и вопросов. Прикладной характер этого раздела подчеркивает само слово «гидравлика», которое образовано из греческих слов hydor — вода и aulos — трубка. Поэтому гидравлика рассматривается как наука о законах равновесия и движения жидкостей и о способах приложения этих законов для решения практических задач.

Гидравлика изучает в первую очередь течения жидкостей в раз­личных руслах, т.е. потоки, ограниченные стенками. В понятие «рус­ло» мы будем включать все устройства, ограничивающие поток, в том числе трубопроводы, проточные части насосов, зазоры и дру­гие элементы гидравлических систем. Таким образом, в гидравли­ке изучаются в основном внутренние течения и решаются «внут­ренние» задачи.

Практическая гидравлика изучает течения как безнапорные — течения в открытых руслах (реки, каналы, водосливы), так и на­порные — в закрытых руслах (трубопроводы, насосы, элементы гидравлических систем). Вопросы течения жидкости в закрытых руслах с давлениями, отличными от атмосферного, приобрели осо­бую важность в современном машиностроении.

Основные физические свойства жидкостей. Идеальная и реальная жидкости

Жидкостью называется физическое тело, обладающее свойством текучести, т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму. Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике, делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые — капельные жидкости.

В гидравлике рассматриваются идеальные и реальные жидкости. Идеальной называется такая жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого она не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Идеальная жидкость совершенно не сжимается — она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия. Такой жидкости в природе не существует —- это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.

Реальная, или действительная, жидкость не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается. Для решения многих задач гидравлики этим отличнем в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь. В связи с этим законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками, а иногда даже без них.

СВОЙСТВА: плотность, удельный вес, упругость, вязкость, текучесть, сохранение объема, образование свободной поверхности и поверхностное натяжение, испарение и конденсация, кипение, смачивание, смешиваемость, диффузия, перегрев и переохлаждение.

ТЕКУЧЕСТЬ

Основным свойством жидкостей является текучесть. Если к участку жидкости, находящейся в равновесии, приложить внешнюю силу, то возникает поток частиц жидкости в том направлении, в котором эта сила приложена: жидкость течёт. Таким образом, под действием неуравновешенных внешних сил жидкость не сохраняет форму и относительное расположение частей, и поэтому принимает форму сосуда, в котором находится.

В отличие от пластичных твёрдых тел, жидкость не имеет предела текучести: достаточно приложить сколь угодно малую внешнюю силу, чтобы жидкость потекла.

СОХРАНЕНИЕ ОБЪЕМА

Одним из характерных свойств жидкости является то, что она имеет определённый объём (при неизменных внешних условиях). Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости (закон Паскаля, справедлив также и для газов). Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C. А, например, тормозная жидкость в автомобилях, сжимается очень плохо.

ПЛОТНОСТЬ

Под плотностью жидкости понимается масса единицы объёма жидкости:

где: М - масса жидкости,

W - объём, занимаемый жидкостью.

ВЯЗКОСТЬ

Вязкость. При движении реальных (вязких) жидкостей в них возникают внутренние напряжения, обусловленные силами внутреннего трения жидкости. Природа этих сил до­вольно сложна; возникающие в жидкости напряжения связаны с процессом переноса им­пульса (вектора массовой скорости движения жидкости). При этом возникающие в жидкости напряжения обусловлены двумя факторами: напряжениями, возникающими при деформации сдвига и напряжениями, возникающими при деформации объёмного сжатия.

Наличие сил вязкостного трения в движущейся жидкости подтверждается простым и наглядным опытом. Если в цилиндрическую ёмкость, заполненную жидкостью опустить вращающийся цилиндр, то вскоре придёт в движение (начнёт вращаться вокруг своей оси в том же направлении, что и вращающийся цилиндр) и сама ёмкость с жидкостью. Этот факт свидетельствует о том, что вращательный момент от вращающегося цилиндра был передан через вязкую жидкость самой ёмкости, заполненной жидкостью.

Вязкость — это свойство жидкости проявлять внутреннее трение при её движении, обусловленное сопротивлением взаимному сдвигу её частиц. В по­коящейся жидкости вязкость не проявляется. Количественно вязкость мо­жет быть выражена в виде динамической или кинематической вязкости, ко­торые легко переводятся одна в другую.

Капельные жидкости относятся к категории плохо сжимаемых тел. Причины незначительных изменений объёма жидкости при увеличении давления очевидны, т.к. межмолекулярные расстояния в капельной жидкости малы и при деформации жидко­сти приходится преодолевать значительные силы отталкивания, действующие между мо­лекулами, и даже испытывать влияние сил, действующих внутри атома. Тем не менее, сжимаемость жидкостей в 5 - 10 раз выше, чем сжимаемость твёрдых тел, т.е. можно счи­тать, что все капельные жидкости обладают упругими свойствами.

ОБРАЗОВАНИЕ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую — газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух.

Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела — силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться.

Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться.

Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму — например, капли воды в невесомости.

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

ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

Испарение — постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар).

При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение.

Конденсация — обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости.

Испарение и конденсация — неравновесные процессы, они происходят до тех пор, пока не установится локальное равновесие (если установится), причём жидкость может полностью испариться, или же прийти в равновесие со своим паром, когда из жидкости выходит столько же молекул, сколько возвращается.

КИПЕНИЕ

Кипение — процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх.

СМАЧИВАНИЕ

Смачивание — поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз.

Смачивание характеризует «прилипание» жидкости к поверхности и растекание по ней (или, наоборот, отталкивание и нерастекание). Различают три случая: несмачивание, ограниченное смачивание и полное смачивание.

СМЕШИВАЕМОСТЬ

Смешиваемость — способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло.

ДИФФУЗИЯ

При нахождении в сосуде двух смешиваемых жидкостей молекулы в результате теплового движения начинают постепенно проходить через поверхность раздела, и таким образом жидкости постепенно смешиваются. Это явление называется диффузией(происходит также и в веществах, находящихся в других агрегатных состояниях).

ПЕРЕГРЕВ И ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ

Жидкость можно нагреть выше точки кипения таким образом, что кипения не происходит. Для этого необходим равномерный нагрев, без значительных перепадов температуры в пределах объёма и без механических воздействий, таких, как вибрация. Если в перегретую жидкость бросить что-либо, она мгновенно вскипает. Перегретую воду легко получить в микроволновой печи.

Переохлаждение — охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения в твёрдое агрегатное состояние. Как и для перегрева, для переохлаждения необходимо отсутствие вибрации и значительных перепадов температуры.