Основные физические свойства жидкости

ГЛАВА I. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ

Структура жидкости

С точки зрения физики все тела делятся на твердые, жидкие и газообразные. Жидкости – промежуточная фаза между твердыми телами и газами. При низких температурах и малых удельных объемах свойства жидкостей близки к свойствам твердых тел. А при высокой температуре и большом удельном объеме жидкости имеют свойства, близкие к свойствам газов.

В твердых кристаллических телах молекулы расположены на определенных расстояниях друг от друга, образуя кристаллическую решетку. Тепловые колебания молекулы совершают около устойчивых положений, этим объясняется то, что твердые тела сохраняют форму и объем.

В газах межмолекулярные расстояния велики, силы притяжения малы. Каждая молекула практически не испытывает действия связей с другими молекулами (исключая моменты столкновения). Модель газа, при которой отсутствуют силы притяжения между молекулами, называют совершенным газом.

Жидкости по молекулярному строению занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и газами. С точки зрения молекулярного строения, тепловые движения молекул жидкости представляют собой колебания около некоторых центров. Если кинетическая энергия отдельных молекул оказывается достаточной для преодоления межмолекулярных связей, то такие молекулы скачком изменяют свое положение, переходя в другой центр колебаний. То есть некоторое время, называемое «временем оседлой жизни», молекула находится в одной упорядоченной структуре, а, совершив переход, оказывается среди нового окружения, никак не предопределенного прежним положением. Именно непрерывно и в большом количестве совершающиеся скачкообразные переходы молекул с места на место и обусловливают такое свойство жидкостей, как текучесть.

Итак, основное свойство жидкой среды – текучесть, т. е. легкая подвижность частиц, способность неограниченно деформироваться и приходить в движение под действием малых сил. Именно благодаря текучести жидкость приобретает любую форму, предоставленную ей в пространстве, без нарушения своей структуры.

При приложении к жидкости сдвигающей силы хаотические скачки молекул приобретают преимущественную направленность, и возникает течение в направлении действия силы.

Если время действия силы t_с много больше времени «оседлой жизни» молекулы жидкости t_т, то при действии этой силы происходит необратимая деформация жидкого тела и, следовательно, тело ведет себя как текучая среда. Если t_c << t_т, то тело ведет себя как твердое. Естественно, что с ростом температуры амплитуды теплового колебательного движения возрастают, молекулам легче переместиться из одного положения в другое, t_т уменьшается и среда становится более текучей.

В случае газообразного состояния вещества отсутствие межмолекулярных связей обусловливает не только текучесть, но и сжимаемость газа. Заметим, что в упорядоченных структурах – твердых и жидких телах – сжимаемость практически отсутствует.

Для упрощения изучения жидкостей в гидравлике их молекулярное строение и движение молекул не рассматриваются. В рамках гидравлики жидкость представляется непрерывной сплошной средой, в которой нет разрывов и пустот.

Гипотеза о сплошности жидкой среды была введена в науку Ж.Даламбером и Л.Эйлером в XVIII веке. И.Ньютон представлял себе жидкость состоящей «из равных частиц, свободно расположенных на равных расстояниях». Но всегда линейные размеры тех «частиц» жидкости (элементарных объемов), которые мы рассматриваем в рамках гидравлики при выводе закономерностей течения, значительно больше, чем длина свободного пробега молекул жидкости. Это и есть условие сплошности жидкости, при выполнении которого жидкость можно считать средой без разрывов и пустот.

С точки зрения механических свойств, жидкости и газы имеют много общего. Характер поведения и законы, описывающие состояние и движение среды, для жидкостей и газов во многих случаях одинаковы. Особенностью жидкостей является малая сжимаемость, т. е. незначительное изменение объема при изменении температуры и давления. Поэтому собственно жидкости называют капельными или несжимаемыми. Сжимаемые среды – это газообразные тела.

Для механики жидкости наиболее интересны и существенны те свойства, которые связаны с проявлением инерции, вязкости и сжимаемости. Иногда учитывают теплоемкость, теплопроводность, объемное тепловое расширение.

Физические свойства реальных жидкостей характеризуются следующими основными физическими характеристиками:

· плотностью,

· сжимаемостью,

· вязкостью,

· температурным расширением,

· поверхностным натяжением.

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

,

где m – масса жидкости, заключенная в объеме V.

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

,

где Δm – масса малого объема жидкости ΔV, содержащего рассматриваемую точку.

Единица измерения плотности в СИ , в технической системе – кГ·с²/м⁴.

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

Объемный вес жидкости – это вес единицы объема жидкости.

,

где G – вес однородной жидкости в объеме V, а ΔG – вес жидкости в малом объеме ΔV.

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:

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):

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 см²/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. Например, для воды при не очень больших давлениях коэффициент объемной сжимаемости

Поэтому в гидравлике жидкости рассматриваются как несжимаемые.

Величина, обратная коэффициенту объемной сжимаемости, называется модулем объемной упругости жидкости,

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 –

Коэффициент температурного расширения для жидкости – это относительное увеличение объема жидкости при повышении температуры на 1°С и постоянном давлении. Для капельных жидкостей небольшая величина. Она меняется в зависимости от диапазона температуры и давления. Например, для воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 10–20 ºС коэффициент β_T = 0,00015

Поверхностное натяжение

Силы притяжения молекул внутри объема жидкости взаимно уравновешиваются и проявляются только на границах – на твердых стенках, на свободной поверхности. На свободной поверхности из-за того, что сила притяжения со стороны молекул воздуха значительно меньше, чем сила взаимного притяжения молекул жидкости, появляется результирующая сила, направленная внутрь объема. Молекулы поверхностного слоя находятся в особом напряженном состоянии, образуется как бы тонкая упругая пленка, возникает поверхностное натяжение.

Величина поверхностного натяжения характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения σ. Коэффициент поверхностного натяжения – это сила, действующая на единицу длины линии раздела сред и направленная по касательной к поверхности жидкости.

Единица измерения поверхностного натяжения в СИ [σ]= Н/м, в технической системе – кГ/м.

Величина коэффициента поверхностного натяжения жидкостей небольшая. Например, для воды при температуре Т = +20 ºС оно составляет около 7 Г/м. Именно поэтому силы поверхностного натяжения в гидравлике обычно не учитываются.

Молекулярное давление, определяющее величину поверхностного натяжения, зависит от кривизны поверхности раздела жидкой и газообразной сред. Оно становится заметным только при малых размерах объемов жидкости, например, в капиллярных трубках. Именно благодаря поверхностному натяжению, жидкость, смачивающая поверхность стенок капиллярных трубок, образует вогнутый мениск и подтягивается вверх: силы сцепления между молекулами твердой поверхности стенок и молекулами жидкости выше молекулярных сил взаимодействия внутри жидкости. В случае несмачиваемой поверхности в капиллярной трубке устанавливается выпуклый мениск, и жидкость в трубке опускается: силы взаимодействия между стенкой и жидкостью меньше внутренних сил взаимодействия в жидкости.

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;

– поперечный градиент скорости движения жидкости;

– скорость смещения слоев жидкости относительно друг друга;

– 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 [μ] = 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 ºС коэффициент μ = 0,0015 кГ·с/м², а при t = +55 ºС μ = 0,0005 кГ·с/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 ν, представляющий отношение μ к плотности ρ:

,

который имеет размерность в СИ и технической системе . 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. В гидравлике часто используется и большую роль играет понятие «идеальной» жидкости.

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. Такой подход научно обоснован и является полезным и плодотворным. Конечно, при применении получаемых для идеальной жидкости решений и выводов в конкретных обстоятельствах приходится вносить необходимые поправки и дополнения, которые следуют из практики и учитывают реальные условия. Однако, как показал опыт, получаемые таким образом картины течения достаточно хорошо согласуются с реальными процессами.

Жидкости в гидромашинах

При движении жидкостей в гидромашинах (объемных и лопастных насосах, турбинах), гидропередачах и гидроприводе существенное влияние на процессы начинают оказывать некоторые специфические свойства жидкостей и процессы, не играющие большой роли в открытых потоках и течениях в трубах.

Испарение

Испарением называется процесс парообразования (переход молекул жидкости в пар), происходящий со свободной поверхности жидкости.

Если жидкость, имеющая свободную поверхность, находится в закрытом резервуаре, то с течением времени число молекул жидкости, переходящих в пар, может сравняться с числом молекул, возвратившихся в жидкость. В этом случае пар становится насыщенным. Установившееся в нем давление называется давлением насыщенного пара.

Таким образом, давление насыщенного пара – это установившееся при данной температуре давление пара, находящегося в термодинамическом равновесии с жидкостью. Чем выше давление насыщенного пара при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. Давление насыщенного пара повышается с увеличением температуры.

Если внешнее давление на поверхности жидкости станет равным давлению насыщенного пара, жидкость закипит. Соответствующая этому процессу температура называется температурой кипения. Каждому значению температуры соответствует давление, при котором жидкость закипает: при низком давлении температура кипения низкая, при повышении давления температура кипения также растет.

Растворимость газов

Растворимость – это свойство газов образовывать с капельными жидкостями растворы. Количественно она характеризуется коэффициентом растворимости k, который представляет собой отношение объема газа V_г, растворенного при температуре 0 °С и атмосферном давлении, в жидкости объемом V_ж:

.

Объем газа, который растворится в капельной жидкости до полного насыщения, определится выражением

,

где p₁ и p₂ – соответственно начальное и конечное давление на границе раздела жидкости и газа.

Из последней формулы видно, что количество растворенного газа зависит от давления: при повышении абсолютного давления объем растворенного газа увеличивается, а при снижении давления происходит выделение растворенного воздуха из жидкости. Эти закономерности следует учитывать при разработке и проектировании гидросистем. Выделяющийся из масла воздух способствует окислению масла, снижает производительность насосов. При низких давлениях выделяющийся воздух не позволяет пренебрегать сжимаемостью рабочей среды.

Коэффициент растворимости зависит также от свойств жидкости и газа. Растворимость до насыщения воздуха в масле прямо пропорциональна температуре и обратно пропорциональна плотности масла.

Кавитация

При движении жидкости в полостях сложной конфигурации (повороты, сужения с последующим расширением) в ней могут возникать участки, где давление, снижаясь, достигает некоторого критического значения. При понижении давления жидкость закипает или из нее выделяются растворенные газы. В жидкости возникают парогазовые пузырьки. Кавитация – это нарушение сплошности жидкости, образование в ней пузырьков, заполненных насыщенным паром этой жидкости и выделившимися из жидкости растворенными газами. Двигаясь с потоком жидкости, пузырьки попадают в область с более высоким давлением. Здесь пар конденсируется, и полости замыкаются, схлопываются. Происходит мгновенное повышение давления, своего рода гидравлический удар. При этом по объему жидкости распространяется ударная волна.

Давление, при котором возникают явления кавитации, зависит от физических свойств жидкости и, в зависимости от ее состояния, может изменяться в существенных пределах.

Как правило, кавитация является нежелательным явлением. При кавитации происходит разрушение поверхностей, на которых возникают кавитационные пузырьки. Схлопывание кавитационных пузырьков приводит к механическим повреждениям, выщербливанию материала стенок канала. Возникновение кавитационных зон меняет геометрию потока в каналах гидравлических машин, что приводит к увеличению сопротивления протоков и трубопроводов, резкому снижению коэффициента полезного действия гидромашин.

Облитерация

При протекании жидкостей в узких щелях, зазорах и проходных отверстиях вследствие адсорбции (отложения) полярноактивных молекул жидкости на твердых стенках часть приграничного слоя жидкости прилипает к поверхности. Происходит заращивание проходного сечения отверстий. Такое явление получило название облитерации. Облитерация может оказывать существенное негативное влияние на режим работы гидромашин, так как способствует быстрому уменьшению расхода жидкости, ухудшает характеристики регулирующих и управляющих устройств.