В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары единым названием «жидкость». Это объясняется тем, что законы движения жидкостей и газов практически одинаковы, если их скорости не превышают скорости звука.
Жидкостью называются все вещества, обладающие текучестью, принимающие всегда форму того объема, в котором они находятся.
При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие о гипотетической (реально не существующей) идеальной жидкости.
Свойства идеальной жидкости:
1. Несжимаема под действием давления.
2. Не изменяет плотности при изменении температуры.
3. Не обладает вязкостью, обусловленной трением частиц друг с другом.
Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными и упругими (газы или пары)
Капельные жидкости (газы) практически несжимаемы (вода 1-200 атм. V уменьшается на 1/200), обладают очень малым коэффициентом объемного расширения при нагревании или охлаждении.
Упругие жидкости (газы), напротив, обладают очень большой сжимаемостью или упругостью (изменением объема при изменении давления) и сравнительно большим коэффициентом объемного расширения.
Рассмотрим некоторые свойства жидкостей и газов.
1. Плотность и удельный вес
Масса единицы объема называется плотностью
ρ ; СИ: [кг/м3] MKS: [кг]
Вес единицы объема жидкости называется удельным весом:
Плотность и удельный вес капельных жидкостей значительно выше, чем упругих.
Плотность газов может быть выражена через мольный объем: 1 кмоль газа при 00С и 760 мм рт. ст. занимает 22,4 м3
При изменении условий по уравнению Клайперона получаем:
Плотность смеси газов подчиняется правилу аддитивности (сложения)
2. Поверхностное натяжение. ПАВ
Подвижная поверхность раздела фаз стремится к минимуму под действием поверхностных сил. Это объясняется тем, что молекулы жидкости внутри ее объема испытывают примерно одинаковые воздействия соседних молекул, а молекулы, находящиеся непосредственно у поверхности раздела фаз, притягиваются молекулами внутренних слоев жидкости сильнее, чем молекулами окружающей среды. В результате этого на поверхности жидкости возникает давление, направленное внутрь жидкости по нормали к ее поверхности. Это давление стремится уменьшить поверхность раздела фаз до минимальной величины.
Для создания новой поверхности необходимо затратить энергию. Работу, необходимую для образования единицы новой поверхности, называется поверхностным натяжением.
Это сила, действующая на единице длинны поверхности раздела.
Поверхность натяжения уменьшается с увеличением температуры. Оно оказывает большое влияние на процессы барботажа, конденсации, экстракции (граничное натяжение для не смешивающихся жидкостей).
Вода – воздух
вода – бензол
3. Вязкость
При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга, и зависят от сил сцепления между молекулами.
Свойство реальной жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению частиц, называется вязкостью.
Выделим в потоке жидкости два параллельно текущих на расстоянии dn слоя площадью F каждая. Нижний слой движется со скоростью w. Если на верхний слой подействует сила Т, преодолевающая сопротивление, то он приобретет скорость (w + dw)
Ньютон установил, что сила внутреннего трения, проявляющаяся при перемещении двух слоев жидкости, прямо пропорциональна градиенту скорости и поверхности соприкосновения слоев:
Возникающая внутри жидкости сила сопротивления равна приложенной силе Т и направлена в противоположную сторону.
На единицу поверхности:
Знак минус означает, что сила внутреннего трения направлена в сторону, противоположную градиенту скорости.
Напряжение внутреннего трения (касательное напряжение) прямо пропорционально градиенту скорости.
Коэффициент пропорциональности называется динамическим коэффициентом вязкости или динамической вязкостью (или просто вязкостью).
(СИ);
1 пуаз это динамическая вязкость такой жидкости, у которой сила в 1 дин перемещает слой жидкости поверхностью каждый, находящийся на расстоянии друг от друга, с относительной скоростью
Применяется также кинематический коэффициент вязкости или кинематическая вязкость:
Вязкость капельных жидкостей колеблется в широких пределах (вода )
С ростом температуры вязкость жидкостей значительно уменьшается, давление практически не влияет.
Вязкость газов существенно ниже (воздух ). С ростом температуры вязкость газов увеличивается, от давления зависит слабо (лишь при давлениях выше 100 атм.)
Природа сил внутреннего трения различна для газов и жидкостей.
Вязкость газов имеет молекулярно-кинетическую природу. Молекулы, обмениваясь между слоями вследствие теплового движения, тормозят или ускоряют соседние слои, что воспринимается как вязкость.
С ростом температуры количество переходящих молекул растет, так как увеличивается скорость теплового движения.
С ростом давления относительный обмен молекулами между слоями не изменяется, так как растет концентрация во всем объеме следовательно давление не влияет.
Вязкость жидкостей обусловлена наличием сил сцепления между молекулами. С ростом температуры увеличивается расстояние между молекулами - уменьшаются силы связи и вязкость падает.
С ростом давления объем жидкости и расстояние между молекулами практически не изменяются – вязкость постоянна.
Для смеси жидкостей вязкость может быть найдена по приближенной формуле:
Для смеси газов:
Большинство жидкостей подчиняется закону Ньютона. Их называют нормальными или ньютоновскими. Для некоторых жидкостей закон Ньютона не соблюдается. Это пластичные или неньютоновские жидкости: растворы полимеров, коллоидные растворы, пасты, густые суспензии, шламы, краски и т.д. Для них характерно наличие более прочных связей между молекулами и отдельными группами молекул, что приводит к значительному возрастанию вязкости и особым текучим свойствам.
Вязкость неньютоновских жидкостей при данных Т и Р не остается постоянной, а изменяется в зависимости от скорости сдвига, его продолжительности и других факторов.
Эти жидкости можно разбить на три группы:
I. Стационарные неньютоновские жидкости.
Для них функция не зависит от времени.
1. Бингамовские пластические жидкости (кр. 2) (Масла, краски, пасты, густые шламы)
Они начинают течь только после достижения определенного напряжения сдвига ( ), которое называется пределом текучести. При они ведут себя как обычные ньютоновские жидкости
2. Псевдопластичные жидкости (кр. 3) (растворы высокомолекулярных полимеров)
Они начинают течь, как ньютоновские жидкости уже при малых . Однако зависит от Значение снижается с увеличением и превращается в
3. Дилатантные жидкости ( увеличивается с возрастанием ; суспензии с высоким содержанием твердой фазы) Они менее распространены.
II. Это класс жидкостей для которых зависимость меняется во времени.
Различают: а) тиксотропные жидкости, для которых напряжение сдвига с увеличением длительности воздействия нагрузки уменьшается (они разжижаются при перемешивании). Например: краски, молочные продукты и др.
б) реопектантные, для которых напряжение сдвига возрастает с увеличением длительности воздействия нагрузки (они густеют при перемешивании)
III. Вязкоупругие (максвелловские) жидкости
Эти жидкости текут под воздействием напряжения , но после снятия напряжения частично восстанавливают свою первоначальную форму, т.е. ведут себя подобно упругим телам (смолы и тестообразные вещества).