Тема 1.1 Основные физические свойства жидкостей

Студент должен:

Понятие о жидкости. Плотность, удельный объем, удельный вес, сжимаемость, температурное расширение, поверхностное натяжение жидкости. Вязкость, закон внутреннего трения. Приборы для измерения плотности и вязкости. Молекулярно-поверхностные и физические свойства системы "нефть – газ – вода – порода".

Лабораторная работа 1

Определение плотности и вязкости нефтепродуктов

Литература.[2], стр.8-21; [9], стр.7-23, 100-105, 119-123; [11], стр.7-24; [7], стр.9-17

Методические указания

Понятие о жидкости

Жидкости – это физические тела, легко изменяющие свою форму под действием сил самой незначительной величины и принимающие форму сосуда, в который они налиты.

По агрегатному состоянию жидкости делятся на капельные (вода, нефть, бензин и т.д.) и газообразные (природный газ, метан, воздух, азот и т.д.). По физическим свойствам жидкости делятся на реальные (вязкие) и идеальные (невязкие). Реальные жидкости встречаются в природе; они сжимаемы, характеризуются температурным расширением, оказывают сопротивление растягивающим и сдвигающим усилиям. Идеальные жидкости в природе не существуют; они не обладают никакими свойствами реальной жидкости.

На ограниченный объем жидкости действуют внутренние и внешние силы.

Внутренние силы – это силы взаимодействия между отдельными частицами рассматриваемого объема жидкости.

Внешние силы:

1) силы поверхностные, приложенные к поверхностям, ограничивающим объем жидкости (силы, действующие на свободную поверхность; силы реакции стенок и дна сосудов);

2) силы объемные, непрерывно распределенные по всему объему жидкости (сила тяжести).

Основные физические свойства жидкости

Основные физические свойства жидкости: плотность, удельный вес, удельный объем, сжимаемость, температурное расширение, вязкость, упругость паров, поверхностное натяжение.

1 Плотность жидкости ρ – это масса жидкости, содержащаяся в единице объема.

ρ = m/V,

где m – масса жидкости;

V – ее объем

[ρ] = [M]/[V] = [M]/[L³]

[ρ]_СИ = кг/м³

[ρ]_ф = г/см³

[ρ]_т = т е м/м³ = (кгс·с²)/ м⁴

Перевод в СИ

С увеличением температуры плотность уменьшается. Плотность при любой температуре t определяется по формуле Д.И. Менделеева

ρ_t = ρ₂₀/[1 + β_t(t – 20)],

где ρ₂₀ - плотность при 20°C;

β_t - коэффициент температурного расширения ([2], стр.12; [9], стр.18, табл.6; [11], стр.13);

t - температура, °C.

Значения плотности для различных жидкостей см. [2], стр.11, табл.1.3; [9], стр.14, табл.1; [11], стр.11, табл.3

Зависимость плотности от давления незначительна и проявляется только при очень высоких давлениях.

Относительная плотность жидкости – это отношение плотности жидкости при 20°C к плотности воды при 4°C

ρ₄²⁰= ρ_ж²⁰/ ρ⁴_воды,

где ρ⁴_воды – максимальная плотность воды при 4°C, ρ⁴_воды = 1000 кг/м³

Относительная плотность газа – это отношение плотности газа к плотности воздуха при одинаковых условиях

Δ = ρ/ρ_возд,

где ρ_возд – плотность воздуха

Плотность смеси двух жидкостей

ρ_см= (ρ₁·V₁ + ρ₂·V₂)/( V₁ + V₂),

где V₁ – объем жидкости с плотностью ρ₁;

V₂ – объем жидкости с плотностью ρ₂.

2 Удельный вес жидкости γ – это вес единицы ее объема.

γ = G/V,

где G – вес (сила тяжести) жидкости;

V – объем жидкости.

[γ] = [P]/[V] = [P]/[L³]

[γ]_СИ = Н/м³

[γ]_ф = дина/см³

[γ]_т = кгс/м³

Перевод в СИ

Зависимость удельного веса от температуры и давления аналогична зависимости плотности от температуры и давления.

Значения удельного веса различных жидкостей см. [9], стр.14, табл.1,2.

Удельный вес жидкости и ее плотность связаны между собой зависимостью

γ = ρ·g,

где g – ускорение свободного падения, g = 9,81 м/с².

3 Удельный объем жидкости v – это объем, занимаемый единицей массы жидкости, то есть это величина, обратная плотности

v = V/m или v = 1/ρ

[v] = [L³]/[M]

[v]_СИ = м³/кг

[v]_ф = см³/г

[v]_т = м³/т е м = м⁴/(кгс·с²)

Перевод в СИ

4 Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом сжимаемости (объемного сжатия) β_v, представляющим собой относительное изменение объема жидкости (ΔV/V) при изменении давления на 1 Па

β_v = – (1/V)·(ΔV/Δp),

где β_v – коэффициент объемного сжатия (сжимаемости) ([2], стр.12, табл.1.4; [9], стр.17, табл.4; [11], стр.12, табл.4);

V – первоначальный объем жидкости;

ΔV – изменение этого объема при повышении давления на величину Δp. Знак минус указывает на уменьшение объема при возрастании давления.

[β_v] = [L²]/[P]

[β_v]_СИ = м²/Н = Па^-1

[β_v]_ф = см²/дина

[β_v]_т = м²/кгс

Перевод в СИ

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем объемной упругости ([9], стр.17, табл.5)

К = 1/β_v

[К]_СИ = Н/м² = Па

[К]_ф = дина/см²

[К]_т = кгс/м²

Перевод в СИ

5 Температурное расширение жидкости характеризуется коэффициентом температурного расширения β_t, который показывает относительное изменение объема жидкости (ΔV/V) при увеличении ее температуры на 1°C

β_t = – (1/V)·(ΔV/Δp),

где β_t – коэффициент температурного расширения ([2], стр.12; [9], стр.18, табл.6; [11], стр.13);

V – первоначальный объем жидкости;

ΔV – изменение этого объема при повышении температуры на величину Δt.

[β_t] = [t^-1]

[β_t]_СИ,_ф,_т = 1/°C = °C^-1 = град.^-1

6 Вязкость (внутреннее трение) – это способность отдельных слоев жидкости оказывать сопротивление при перемещении, то есть оказывать сопротивление сдвигающим усилиям, возникающим в результате сил трения между слоями движущейся жидкости.

Вязкость увеличивается при уменьшении температуры и уменьшается при увеличении. Вязкость очень незначительно увеличивается при увеличении давления.

Динамическая (абсолютная) вязкость μ

[μ] = ([P]·[T])/[L²]

[μ]_СИ = (Н·с)/м² = Па·с (пуазейль)

[μ]_ф = (дина·с)/см² = П (пуаз)

[μ]_т = (кгс·с)/м²

Перевод в СИ

Величина, обратная абсолютной вязкости, называется текучестью

ξ = 1/μ

Кинематическая вязкость ν

ν = μ/ρ

[ν] = [L²]/[T]

[ν]_СИ = м²/с

[ν]_ф = см²/с = Ст (стокс)

[ν]_т = м²/с

Перевод в СИ

Кинематическая вязкость воды при 20°C ν²⁰_воды = 1 сСт = 1·10^-6 м²/с

Значения кинематической вязкости воды и других жидкостей см. [2], стр.15, табл. 1.6; [9], стр.102, табл.11 и стр.103, табл.12 и 13; [11], стр.15, табл.6 и 7.

Вязкость воды при разных температурах см. [2], стр.14; [9], стр.102, табл.11 и стр.104, формула 4.3.

Температурная зависимость вязкости нефти и нефтепродуктов хорошо описывается формулой П.А. Филонова

ν_t = ν₀·e^-u·t – см. [9], стр.104, формула 4.3

Условная вязкость Е (ВУ) измеряется в градусах Энглера °E. Для перевода вязкости, измеренной в градусах Энглера, в кинематическую пользуются формулой Убеллоде

ν = (0,0731·E – 0,0631/E)·10^-4 м²/с

Кроме того, зависимость ν – Е см. [9], стр.123, табл.15.

7 Упругость паров жидкости (давление насыщенных паров) р_у – это парциальное (частичное) давление насыщенных паров жидкости над ее поверхностью, при котором пары находятся в равновесии с жидкостью.

Упругость паров имеет размерность давления. Увеличивается с повышением температуры. Значение р_у см. [2], стр.14, табл. 1.5; [9], стр.18, табл.7; [11], стр.14, табл.5; [7], стр.155, табл.7.11.

Если давление в системе становится меньше упругости паров жидкости, то есть р<р_у,то жидкость закипает.

8 Поверхностное натяжение (капиллярность) характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения σ. Оно обусловливается силами взаимного притяжения, возникающими между частицами поверхностного слоя жидкости и вызывающими его напряженное состояние. Значение σ см. [2], стр.16, табл. 1.7; [9], стр.19, табл.8; [11], стр.17, табл.8.

Пересчет параметров состояния газа по условиям состояния

Величины, характеризующие термодинамическое состояние системы, называются параметрами состояния. Важнейшими параметрами состояния газа являются: давление р, температура Т, удельный объем v (или полный объем V).

Рабочие условия – это те, при которых находится газ в данный момент: р; Т; v (или V).

Нормальные условия (н.у.): р₀ = 101325 Па ≈ 0,1 МПа; Т₀ = 273 К; v₀ (или V₀).

Стандартные условия (ст. у.): р_ст = 101325 Па ≈ 0,1 МПа; Т_ст = 293 К; v_ст (или V_ст).

Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона

р·v = R·T

Для m кг газа

p·V = m·R·T,

где R – газовая постоянная.

Для перевода от рабочих условий к нормальным и стандартным и наоборот применяются формулы

V₀ = V·(p·T₀/p₀·T) и V = V₀·(p₀·T/p·T₀)

V_ст = V·(p·T_ст/p_ст·T) и V = V_ст·(p_ст·T/p·T_ст),

где р – абсолютное давление

р= р_изб + р_атм,

где р_изб – избыточное давление;

р_атм – атмосферное давление ([9], стр.22, табл.9);

Т – абсолютная температура

Т = t + 273