Основные свойства жидкостей и газов

Основной физической характеристикой жидкости является плотность r [кг/м³] — это отношение массы жидкости m к объему V, занимаемому ей

. (1)

Например, для воды при 20^о С — r = 1000 кг/м³; для ртути — r = 13600 кг/м³.

Часто пользуются также понятием удельного веса γ [Н/м³] — это отношение веса жидкости G к объему V, занимаемому ей,

. (2)

Связь между плотностью и удельным весом:

(3)

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

Для воды — γ = 9810 Н/м³; для ртути — γ = 133416 Н/м³.

Следует подчеркнуть, что плотность и вес единицы объема жидкостей и особенно газов существенно зависят от давления и температуры.

Способность жидкостей и газов менять под воздействием температуры плотность, удельный вес широко используются в металлургической теплотехнике при эвакуации продуктов сгорания с помощью дымовых труб, при организации водяного охлаждения элементов металлургических печей, равномерного теплообмена в рекуператорах и регенераторах и т.д.

Важнейшими физическими параметрами жидкостей и газов являются сжимаемость, температурное расширение, вязкость.

Основной отличительной особенностью капельных и газообразных жидкостей является способность сжиматься (изменять объем) под воздействием внешних сил. Капельные жидкости (в дальнейшем просто жидкости) трудно поддаются сжатию, а газообразные жидкости (газы) сжимаются довольно легко, т.е. при воздействии небольших усилий способны изменить свой объем в несколько раз (рис.1).

Рис. 1. Сжатие жидкостей и газов

Сжимаемость – это когда под воздействием давления жидкость меняет свой объем и характеризуется коэффициентом объёмного сжатияжидкости b_р [м²/Н] — это относительное изменение объёма, приходящееся на единицу давления

(4)

где V_о, V_к — начальный и конечный объёмы жидкости соответственно;

Р_о, Р_к — начальное и конечное давление в жидкости соответственно.

Например, для воды b_р = 5∙10^-10 м²/Н.

По иному ведут себя газы. Их сжимаемость зависит от характера процесса изменения состояния. Для обычных газов таких, как кислород:

-при изотерическом процессе Е_V=P_абс;

-при адиабатном Е_V=kP_абс,

где - отношение удельных теплоемкостей при постоянном давлении и объеме.

Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия, называется модулем упругости Е [Н/м² = Па]

. (5)

Например, для воды Е = 20∙10⁸ Н/м².

Но при очень высоких давлениях и упругих колебаниях сжимаемость жидкостей следует учитывать.

Различают адиабатный и изотермический модуль упругости. Первый больше второго приблизительно в 1,5 раза и проявляется при быстротечных процессах сжатия жидкости без теплообмена.

Температурное расширение характеризуется коэффициентом температурного расширения b_t [1/^оС] — это относительное изменение объёма, приходящееся на один градус

(6)

где t_о , t_к — начальная и конечная температура жидкости соответственно.

Например, для воды b_t = 2∙10^-4 1/град.

Для газов, находящихся под постоянным давлением, коэффициент температурного расширения не зависит от состава газов и равен 3,66х10^-3, т.е. в десятки и сотни раз больше, чем для жидкостей.

Задача. В отопительной системе (котёл, радиаторы, трубопроводы) небольшого дома содержится V_o = 0,4 м³ воды. Определить сколько воды дополнительно выйдет в расширительный бак при нагревании её от t_o = 20^oC до t_к = 90 ^oC? Принять r_о = 1000 кг/м³, r_к = 965 кг/м³.

Решение.Масса воды при t_o = 20^oC и t_к = 90 ^oC остаётся постоянной:

М_о = М_к,

или r_оV_o = r_кV_к,

откуда объём, занимаемый водой при t_к = 90 ^oC:

В расширительный бак при нагревании воды от t_o = 20^oC до t_к = 90 ^oC выйдет объём воды

DV = V_к – V_о = 0,414 – 0,4 = 0,014 м³.

Поверхностное натяжение. – силы действующие на поверхности раздела жидкости и газа. Оно стремится придать объему жидкости сферическую форму и вызывает некоторое дополнительное давление. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемах (капель) определяется формулой:

Р= (7)

где s - коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

r – радиус сферы.

При повышении температуры величина s снижается, а в критической точке перехода жидкости в пар устремляется к нулю.

Существуют вещества, названные поверхностно-активными (ПАВ), которые, будучи добавленными к жидкости в очень незначительных количествах существенно снижают силы поверхностного натяжения.

Силы поверхностного натяжения (капиллярность) - эти силы стремятся придать сферическую форму жидкости. Силы поверхностного натяжения обусловлены поверхностными силами и направлены всегда внутрь рассматриваемого объема перпендикулярно свободной поверхности жидкости. Рассмотрим бесконечно малый объем жидкости на свободной поверхности. На него будут действовать силы со стороны соседних объемов. В результате, если сложить вектора всех сил действующих на рассматриваемый объем, то суммарная составляющая сила будет направлена перпендикулярно внутрь рассматриваемого объема.

Рис. 2 Силы поверхностного натяжения

На поверхности раздела жидкости и газа действующие силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемов (капель), определяются формулой:

где - коэффициент полного натяжения жидкости; - радиус сферы.

Значение коэффициента для разных жидкостей граничащих с воздухом при 20˚С следующее: вода =0,073 H/м, керосин =0,027 Н/м, ртуть =0,46 Н/м. С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается.

Данные о поверхностном натяжении на границе раздела жидкость – газ используются при анализе и расчете распыления жидкостей с помощью форсунок и других устройств.

В жидкостных приборах для измерения давлений и разрежений возникает система из трех фаз – твердая стенка, жидкость и газ (рис.3).

Рис.3Примеры смачивающей (а) и несмачивающей (б) твердую

поверхность жидкостей.

В этой системе между твердой стенкой и поверхностью жидкости образуется краевой угол смачивания q, величина которого не зависит ни от формы твердых поверхностей, ни от действия силы тяжести. Главными факторами, определяющими значение q, являются поверхностные натяжения на границах соприкосающихся сред.

При q<90° жидкость смачивает твердую поверхность, образуется вогнутый мениск и жидкость в капилляре поднимается. Такого рода явления можно наблюдать в обезжиренных стеклянных трубках, заполненных водой.

При q>90° жидкость теряет способность смачивать твердые поверхности, мениск такой жидкости выпуклый. Увеличение краевого угла смачивания произойдет, если в стеклянной трубке заменить воду ртутью.

Характеристики смачивания приобретают большое значение при организации процессов улавливания пылей.

Вязкость — это свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу её слоёв.

Рисунок 4— Схема к закону жидкостного трения Ньютона

Пусть жидкость движется параллельными слоями вдоль неподвижного горизонтального дна (рисунок 4). Выберем два произвольных рядом лежащих слоя: слой А и слой В. Скорость слоя А — ū, а слоя В — ū + dū . Тогда за единицу времени слой В опережает слой А на величину dū. dū — это абсолютный сдвиг слоя В по слою А. Величина это относительный

сдвиг, или поперечный градиент скорости.

Так как слои жидкости скользят друг по другу, то между ними возникает сила трения Т.

Отношение силы трения Т к площади S, на которой она возникает, называется касательным напряжением:

(8)

Из равенства (7) сила трения между слоями жидкости:

(9)

Согласно гипотезе Ньютона, высказанной им в 1686 г., которую экспериментально доказал и математически сформулировал в 1883 г. академик Н. П. Петров: касательное напряжение в жидкости зависит от её рода и характера течения жидкости и при параллельноструйном течении прямопропорционально поперечному градиенту скорости:

(10)

Равенство (10) — закон жидкостного трения Ньютона.

В равенстве (10) μ — коэффициент динамической вязкости жидкости [Па∙с].

Жидкости, для которых справедлив закон Ньютона, получили название ньютоновских. Жидкости, в которых силы внутреннего трения не описываются уравнением (10), называются неньютоновскими. К ним относятся цементные и глинистые растворы, смолы, некоторые масла при температурах, близких к температурам их застывания, коллоиды и др.

Вода, воздух, спирт, ртуть, большинство масел, применяемых в гидроприводах, относятся к обычным – ньютоновским жидкостям.

Вязкость же всех жидкостей уменьшается при увеличении температуры, а вязкость всех газов, наоборот, увеличивается.

В инженерной практике чаще используется коэффициент кинематической вязкости n — это отношение коэффициента динамической вязкости жидкости к плотности жидкости:

(11)

Значение коэффициента кинематической вязкости n для воды можно принимать согласно нижеприведенной таблице 1 при известном значении температуры воды t.

Таблица 1 — Значение коэффициента кинематической вязкости n для воды в зависимости от температуры

Точное значение вязкости смеси газов или жидкостей может быть найдено только экспериментальным путем.

Для определения вязкости жидкостей применяются приборы, называемые вискозиметрами. Вязкость жидкостей более вязких, чем вода (масел, нефтепродуктов и др.), определяют обычно вискозиметром Энглера, состоящим из двух сосудов, пространство между которыми заполнено водой для поддержания требуемой температуры. В сферическом дне внутреннего сосуда укреплена трубка малого диаметра 2,8 мм, выведенная через дно наружного сосуда. Отверстие в трубке в нормальном положении закрыто клапаном. Во внутренний сосуд до определенного уровня наливают испытываемую жидкость и с помощью нагревательного устройства нагревают воду в наружном сосуде. Повышение температуры воды, в свою очередь, вызывает медленное и равномерное повышение температуры испытываемой жидкости до требуемого значения температуры t, фиксируемого термометром. После этого клапан открывают и с помощью мерной колбы и секундомера измеряют время истечения 200 см³ испытываемой жидкости. Аналогичный опыт проводят с дистиллированной водой при t =20°С. Отношение времени истечения испытываемой жидкости Т_и.ж. к времени истечения дистиллированной воды Т_д.в. соответствует числу градусов условной вязкости ил градусов Энглера:

Для перевода градусов условной вязкости в единицы СИ (м²/с) пользуются эмпирической формулой Уббелоде:

Растворимость газов в жидкостях характеризуется объемом растворенного газа в единице объема жидкости и определяется по закону Генри:

где V_Г - объем растворенного газа;

V_Ж - объем жидкости;

k - коэффициент растворимости;

Р - давление;Р

Р_а - атмосферное давление.

Коэффициент k имеет следующие значения при 20 С: для воды 0,016, керосина 0,13, минеральных масел 0,08, жидкости АМГ-10 - 0,1. При понижении давления выделяется растворимый в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

Испаряемость жидкости. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий в которых она находится: от температуры, от площади испарения, от давления, и от скорости движения газообразной среды над свободной поверхностью жидкости (от ветра).

Парообразование. Кипение. Кавитация.При изменении давления и температуры капельной жидкости до определенных значений, при которых давление становится равным давлению насыщенного пара Р_н.п. этой жидкости при данной температуре, происходит изменение количественных характеристик капельной жидкости, и последняя скачкообразно переходит в новое качество: в жидкости образуются пузырьки и даже целые полости, заполненные паром и растворенным в ней газами. Данный процесс называется парообразованием. Достигая свободной поверхности капельной жидкости, пузырьки лопаются, и пар улетучивается – происходит кипение жидкости.

Если жидкость находится в замкнутом пространстве, то пузырьки остаются в ней, нарушая сплошность капельной жидкости. Когда давление жидкости превысит давления насыщенного пара, снова происходит скачкообразный переход в новое качество – пар почти мгновенно конденсируется, а газы растворяются в капельной жидкости. Тогда в образовавшиеся пустоты с большой скоростью устремляются частицы капельной жидкости, окружавшей пузырьки, что приводит к почти мгновенному их смыканию. Это, в свою очередь, вызывает значительный рост давления в местах смыкания пузырьков, сопровождавшийся характерным шумом, а также местное повышение температуры. Этот процесс называется кавитацией.

Кавитация в трубопроводах и гидравлических машинах – крайне вредное явление, так как она вызывает их эрозию, возникающую в результате многократного местного повышения давления, сопровождавшегося ударами частиц капельной жидкости о стенки труб и проточных частей гидромашин. Эрозия обычно усиливается также химическим и электрохимическим воздействиями выделяющегося из воды воздуха, богатого кислородом. При длительной работе трубопроводов и гидромашин в режиме кавитации происходит разрушение указанных выше элементов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: