Основные физические свойства жидкости

Плотность

В рамках гипотезы сплошности считается, что масса жидкости рас­пределена в объеме занимаемого ею пространства непрерывно и в общем случае неравномерно.

Плотность - это масса единицы объема жидкости, т. е. величина, характеризующая распределение массы тела в пространстве, занятом жид­костью.

Численно плотность однородной среды определяется как 𝜌=т/V

где т - масса жидкости, заключенная в объеме V.

Если среда неоднородна, плотность жидкости в какой-либо точке оп­ределяется предельным переходом:

где ∆т — масса малого объема жидкости ∆V, содержащего рассматривае­мую точку.

Единица измерения плотности в СИ \р\ = кг/м³, в технической системе - кГ*с²/м⁴.

Наряду с плотностью, в гидравлике широко используется понятие объемного веса.

Объемный вес жидкости — это вес единицы объема жидкости.

γ=G/V или
, где G - вес однородной жидкости в объеме V, a ∆G - вес жидкости в малом объеме ∆V.

Единицы измерения объемного веса в СИ - Н/м³, в технической сис­теме - кГ/м³, Г/см³ и т. д.

Связь плотности и объемного веса просто устанавливается из второго закона Ньютона, записанного для силы тяжести:

G = mg; G/V = mg/V или γ= 𝜌g

Сжимаемость

Сжимаемость жидкости — это свойство изменять свой объем под действием внешнего давления. Сжимаемость характеризуется коэффици­ентом объемной сжимаемости, который представляет собой изменение объема жидкости на единицу изменения давления, отнесенное к единице объема (относительное изменение объема):

β_V=(-1/V)* dV/ dp.

где V — первоначальный объем жидкости, dV - изменение объема жидкости при увеличении давления на величину dp.

Коэффициент объемной сжимаемости измеряется в СИ в м²/Н (1/Па), в технической системе - в см /кГ, м²/кГ.

Знак «минус» в формуле для коэффициента объемной сжимаемости обусловлен тем, что положительному приращению давления соответствует уменьшение, т. е. отрицательное приращение, объема жидкости.

В жидкостях велико внутримолекулярное давление, поэтому сжи­маемость их очень мала.

Поэтому в гидравлике жидкости рассматриваются как несжимаемые. Величина, обратная коэффициенту объемной сжимаемости, называ­ется модулем объемной упругости жидкости, K=1/ β_V

Температурное расширение

Температурное расширение жидкости - это изменение объема при изменении температуры. Его характеризуют коэффициентом температур­ного расширения: где V - первоначальный объем жидкости, dT- изменение температуры.

Единица измерения коэффициента температурного расширения – 1/град

Коэффициент температурного расширения для жидкости - это отно­сительное увеличение объема жидкости при повышении температуры на 1°С и постоянном давлении. Для капельных жидкостей Р_Т небольшая ве­личина. Она меняется в зависимости от диапазона температуры и давле­ния.

Вязкость

Очень важным для гидравлики физическим свойством жидкости яв­ляется вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление движению слоев жидкости относительно друг друга.

Вследствие молекулярного взаимодействия в жидкости возникают силы внутреннего трения: слой, движущийся быстрее, увлекает за собой слой, движущийся медленнее, а тот, в свою очередь, тормозит слой, дви­жущийся быстрее. Таким образом, вязкость проявляется в виде возникно­вения силы трения при перемещении (сдвиге) слоев жидкости относитель­но друг друга. Другими словами, вязкость - это свойство, обусловливаю­щее возникновение в жидкости при ее движении касательных напряжений.

И.Ньютон предложил гипотезу о том, что сила F вязкости (трения) между двумя соседними слоями жидкости с площадью соприкасания ω равна

Здесь μ- коэффициент динамической вязкости; dv

dv / dn — поперечный градиент скорости движения жидкости; dn

dv — скорость смещения слоев жидкости относительно друг дру­га;

dn - расстояние между осями соседних слоев жидкости.

Знак «минус» в формуле указывает на то, что сила трения направлена противоположно направлению движения.

Размерность коэффициента динамической вязкости в СИ [и] = Н-с/м² (Па-с), в технической системе - кГ-с/м² .

Коэффициент динамической вязкости (динамическая вязкость) зави­сит от природы жидкости и температуры. С повышением температуры жидкости коэффициент вязкости μ уменьшается; например, при t = +5 °С коэффициент μ= 0,0015 кГ-с/м², а при t = +55 °С /л ;μ = 0,0005 кРс/м².Если силу трения между слоями отнести к площади соприкосновения слоев, то полученная удельная сила трения называется касательным на­пряжением:

Наряду с коэффициентом динамической вязкости, в гидравлике ши­роко используется коэффициент кинематической вязкости v, представ­ляющий отношение μ к плотности р:

который имеет размерность в СИ и технической системе [v] = — = м² / с.

До 1980 года допускалось измерение кинематической вязкости в стоксах:1 Ст = 1 см²/с.

Вязкость играет очень важную роль в процессе движения жидкостей. В природе мало жидкостей, вязкость которых меньше, чем вязкость воды, но существует много жидкостей с большой вязкостью (масла, нефть), есть очень вязкие жидкости (глицерин, патока).

Идеальная жидкость.

Под идеальной жидкостью понимается жидкость, частицы которой обладают абсолютной подвижностью, т. е. идеальная жидкость не имеет вязкости, не испытывает температурного расширения и абсолютно несжи­маема. Введение в рассмотрение подобной научной абстракции вместо ре­альной жидкости упрощает решение ряда гидравлических задач, позволяет широко использовать математические методы, проводить обобщения и аналогии.