Физические характеристики и свойства жидкостей

Современная гидравлика состоит из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Рабочим телом в гидравлике является жидкость, которая представляет собой непрерывную среду, обладающую свойством текучести и почти полным отсутствием сопротивления разрыву. По степени сжимаемости жидкости подразделяются на капельные и газообразные. Капельные жидкости практически несжимаемые, к ним относятся: вода, нефть, масла, спирт и т.п. Газообразные жидкости (газы) обладают свойством сжимаемости, которое проявляется при действии на них внешних сил. Характерным отличием этих жидкостей является наличие у капельных жидкостей свободной поверхности, а газы распространяются по всему предоставленному им объёму.

Важнейшими физическими характеристиками жидкости являются её плотность и удельный вес. Плотность обозначается r и представляет собой отношение массы жидкости к её объёму:

r = ,

где М – масса, кг;

V - объём, м^3..

Для сравнения приведены значения плотностей часто встречающихся жидкостей и твёрдых тел в системе единиц СИ при нормальных условиях.

1. Вода……………………………………………………………1000 кг/м³

2. Минеральное смазочное масло…………………………..900 кг/м³

3. Ртуть…………………………………………………………13 600 кг/м³

4. Сталь………………………………………………………… 8 000 кг/м³

5. Чугун………………………………………………………… 7 000 кг/м³

В практических расчётах иногда вместо плотности используется удельный вес , который равен отношению веса жидкости к её объёму:

Отметим, что удельный вес - величина векторная и не является параметром состояния вещества в отличие от плотности, так как он зависит от ускорения свободного падения q в пункте определения, т.е. Между удельным весом и плотностью существует простая зависимость:

r q.

Важным физическим свойством жидкости, определяющим её способность к истечению, является вязкость. Вязкость жидкости – это её свойство оказывать сопротивление относительному движению её частиц [1]. В зависимости от вязкости жидкости в гидравлике принято условно делить на реальные и идеальные. Для описания закономерностей движения идеальной жидкости, в которой отсутствуют силы сцепления и трения между её структурными частицами, используются более простые математические зависимости.

Количественно вязкость жидкости, как её способность к истечению характеризуется коэффициентами динамической вязкости и кинематической вязкости .

Коэффициент динамической вязкости – это сила внутреннего трения, которая приходится на единицу поверхности соприкосновения двух движущихся слоёв жидкости при градиенте скорости равном единице, т.е.:

Па∙с, (2.1)

где: Т – сила внутреннего трения, Н;

- поверхность соприкасающихся слоёв, м²;

- градиент скорости на единицу длины, 1/с. (рис. *...)

Значение коэффициента часто выражают в пуазах (П) с учётом, что

0,1 = 1П.

При выводе уравнений гидродинамики иногда вместо коэффициента динамической вязкости используют коэффициент кинематической вязкости, который представляет собой вязкость, приведённую к плотности жидкости, определяется из выражения (1.2):

м²/с (2.2)

В гидравлических расчётах более удобно использовать коэффициент кинематической вязкости и выражать его не в м²/с, а в более мелких единицах – стоксах (С_T) с учётом того, что 1С_T = 10^-4 м²/с.

Отметим, что при повышении температуры вязкость несжимаемых жидкостей уменьшается.

Например, для воды при 15°С: = а при 20°С

= , т.е. уменьшается на 14%.

Одной из основных характеристик жидкости, отличающей её от твёрдых тел, является гидростатическое давление. Известно, что в статике при взаимодействии поверхностных и массовых сил в жидкости возникают внутренние силы, вызывающие напряжение внутри жидкости, аналогичное напряжению в твёрдых телах при действии на них внешних сил.

С физической точки зрения гидростатическое давление, как и давление твёрдого тела, представляет собой отношение силы к площади сечения, на которой эти силы действуют, т.е.

** Сила гидростатического давления см. рис.1 ↑.

р_cp = , Па, (2.3)

где р_cp – среднее гидростатическое давление,

Па = ,

Наряду со средним гидростатическим давлением, в гидравлике существует понятие давление в точке р: * (см. рис. 2 ↑)

р = , (2.4)

где - элементарная сила, Н;

- элементарная площадь, м².

Однако, свойства гидростатического давления несколько отличаются от давления твёрдого тела. К числу таких свойств относятся:

-гидростатическое давление всегда действует по внутренней нормали, направленной к площадке действия;

- гидростатическое давление не зависит от ориентации, или угла наклона площадки действия и в различных направлениях одинаково по величине;

- гидростатическое давление зависит от координаты точки в пространстве, т.е. в статике оно зависит от глубины погружения.

Связь между различными видами давлений устанавливается на основе приведённого дифференциального уравнения Эйлера, представляющего собой полный дифференциал давления [2]:

dp = ρ (a_x dx + a_y dy + a_z dz), (2.5)

где ρ - плотность жидкости, кг/м³;

a_x,,a_y,a_z - проекции ускорений на оси координат;

dx, dy,dz – приращения по осям координат, м.

В статике, когда в жидкости вертикально вниз действует только сила тяжести, имеем:

dx = 0 и dy = 0. (см. рис.**) Тогда после интегрирования выражения (1.5) получим основное уравнение гидростатики (1.6):

(2.6)

где p – абсолютное давление;

- избыточное давление; (* размерность…)

р_o - атмосферное давление.

(Интегрирование ур-я 2.5.***…….)

Заметим, что после интегрирования уравнения (1.5) произведена замена: = q – ускорение свободного падения, z = h - глубина погружения. Из основного уравнения гидростатики (1.6) следует, что абсолютное давление жидкости в точке определяется глубиной погружения h и внешним давлением P_o.

Приборы для измерения гидростатического давления ………