Физические свойства жидкостей.

Раздел 2. «Гидравлика»

Тема 2.1 «Основные законы гидростатики»

Занятие №16. «Основные физические свойства жидкостей. Определение вязкости жидкости»

Основные физические свойства жидкостей. Основные определения.

Жидкостями называют физические тела, занимающие по сво­ему молекулярному строению промежуточное положение между твердыми телами и газами. В отличие от твердого тела жидкость обладает текучестью, а в отличие от газа — весьма малой изменяе­мостью своего объема при изменении внешних условий.

Рабочая жидкость объединяет все преобразующие устройства гидроприводов и является одним из основных его элементов, вы­полняющим многосторонние функции по передаче энергии, смазке трущихся деталей, т. е. обеспечению работоспособности и надежности работы гидропривода.

Механика жидкости базируется на основных принципах фи­зики и общей механики. Силы, действующие на ограниченный объем жидкости, как и в механике твердого тела, принято делить на внутренние и внешние. Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия между частицами жидкости. Внешние силы делятся на объемные, распределенные по всему объему жидкости, например силы тяжести, и поверхностные, действующие на сво­бодную поверхность жидкости, а также силы, действующие со стороны ограничивающих стенок.

Отличительной особенностью жидкости является практиче­ское отсутствие в естественных состояниях растягивающих уси­лий и существенное сопротивление сдвигающим силам, которые проявляются при движении жидкости в виде сил внутреннего трения.

Для упрощения теоретических расчетов и исследований в гид­равлике используют модель идеальной жидкости, которая в отли­чие от реальной не имеет сил внутреннего трения, абсолютно не­сжимаема и характеризуется только плотностью. Течение идеальной жидкости в каком-либо канале не сопровождается потерей энергии.

Для распространения на реальные жидкости теоретических выводов, полученных для идеальных жидкостей, вводят поправки или коэффициенты, полученные в ходе исследования реальных жидкостей.

Первой задачей, предшествующей непосредственному изуче­нию гидравлики, является определение физических свойств жид­костей, которые могут существенно влиять на закономерности их равновесия и движения.

Физические свойства жидкостей.

Рассмотрим свойства жидкостей, имеющие наибольшее зна­чение в гидравлических расчетах, а также зависимость этих свойств от изменяющихся условий применения жидкостей.

Плотность жидкости ρ — физическая величина, определяемая для однородной среды отношением ее массы М к занимаемому ею объему V:

Единица плотности жидкости 1 кг/м³.

В гидравлических расчетах часто используется удельный вес γ жидкости. Плотность и удельный вес связаны между собой сле­дующим соотношением:

Удельный вес жидкости измеряется в Н/м³. Поскольку удельный вес зависит от ускорения силы тяжести, то в инже­нерных расчетах принимают среднее значение, определяемое при g= 9,81 м/с².

Плотность или удельный вес жидкости определяют различны­ми способами с помощью разных приборов. В производственных условиях плотность определяют денсиметром, который представ­ляет собой колбу, загруженную мерным грузом. Верхняя запаян­ная часть трубки имеет малый диаметр и отградуирована в едини­цах плотности. Чем глубже погружается колба, тем меньше плот­ность жидкости. Деление на трубке, которое совмещается со свободной поверхностью жидкости, показывает ее плотность.

Сжимаемость жидкости — свойство жидкости изменять объ­ем при изменении давления. Сжимаемость характеризуется коэф­фициентом сжимаемости α_р, который представляет собой отно­сительное изменение объема жидкости при увеличении давления на единицу. Так, при увеличении давления на величину Δ_ρ перво­начальный объем жидкости V изменится на величину

Единица измерения коэффициента сжимаемостим²/Н.

Из данного выражения, используя соотношение ρ = М / V, получаем закономерность изменения плотности жидкости при изменении давления на Δ p.

где ρ₀ — плотность жидкости при начальном давлении; α_р — ко­эффициент сжимаемости жидкости.

Величину, обратную коэффициенту сжимаемости α_р, называ­ют модулем упругости жидкости.

Единица измерения модуля упругости жидкости Н/м².

Модули упругости большинства жидкостей настолько велики, что жидкости можно считать несжимаемыми и модули упругости принимать постоянными. Это допущение используется при выво­де большинства зависимостей гидравлики. Среднее значение мо­дуля упругости для воды равно 2050 МН/м², а для минеральных масел — 1670 МН/м².

Однако при решении задач о гидравлическом ударе, а также об устойчивости и колебании гидросистем сжимаемость жидко­сти необходимо учитывать.

Тепловое расширение — свойство жидкости изменять объем при изменении температуры:

где V_t и V₀ — объемы жидкости при температурах t и t ₀; Δt = t– t₀ — диапазон изменения температур; α_t — коэффициент объемного расширения. Для воды при 20 °С среднее значение α_t = 2∙10 ⁴ 1/К, а для минеральных масел α_t = 7∙10^-4 1/К. Из вы­ражения () следует, что

Ввиду малости теплового расширения жидкости изменением плотности с изменением температуры можно пренебречь. Одна­ко, когда жидкость заключена в замкнутом жестком объеме, уве­личение температуры при отсутствии утечек может привести к опасному повышению давления (примерно на 1,1 МПа/1 °С):

где Е_ж — модуль упругости жидкости.

Вязкость — свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу или относительному смещению ее слоев.

Сила сопротивления сдвигу называется силой внутреннего трения. При прямолинейном слоистом движении жидкости сила внутреннего трения между смещающимися один относительно другого слоями выражается согласно гипотезе Ньютона зависи­мостью

где μ — динамическая вязкость жидкости; F— площадь трущихся слоев; du/dn— скорость скольжения, или градиент скорости; du — приращение скорости между соседними слоями жидкости; dn— расстояние между соседними слоями жидкости, взятое по нормам.

Касательные напряжения между слоями жидкости определя­ются следующим выражением:

где Р — сила трения, Н; μ — динамическая вязкость жидкости, Па∙с.

Если напряжение сдвига не пропорционально скорости скольжения, то жидкость называется неньютоновской, или ано­мальной, например глинистый раствор, пульпа, образуемая прибурении пород. В этом случае касательное напряжение можно оп­ределить по формуле

где τ₀ — начальное напряжение сдвига, после достижения которо­го рассматриваемая жидкость приходит в движение. При напря­жениях меньше τ неньютоновские жидкости испытывают только упругие деформации.

Динамическую вязкость жидкости измеряют в Н∙с/м². Вели­чина 1Н∙с/м² называется Паскаль-секунда (Па∙с); 1 Н с/м² = 1Па∙с.

Паскаль-секунда равна динамической вязкости жидкости, ка­сательное напряжение в которой при ламинарном течении и при относительной скорости скольжения слоев, находящихся на рас­стоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, равно 1 Н/м².

Динамическую вязкость на практике измеряют в пуазах (П):1 П = 0,1 Н∙с/м² = 100 сантипуазов (сП).

В задачах гидравлики часто используют кинематическую вяз­кость ν:

Единицей кинематической вязкости служит м²/с. Эта величи­на равна кинематической вязкости, при которой динамическая вязкость жидкости плотностью 1 кг/м³ равна 1 Па∙с.

Кинематическую вязкость измеряют в стоксах (Ст): 1 Ст = 1∙10^-4 м²/с = 1 см²/с; 0,01 Ст = 1 сСт (сантистокс).