Физические характеристики и свойства жидкостей

Современная гидравлика состоит из двух разделов: гидростатики и гидродинамики. Рабочим телом в гидравлике является жидкость, которая представляет собой непрерывную среду, обладающую свойством текучести и почти полным отсутствием сопротивления разрыву. По степени сжимаемости жидкости подразделяются на капельные и газообразные. Капельные жидкости практически несжимаемые, к ним относятся: вода, нефть, масла, спирт и т. п.

Газообразные жидкости (газы) обладают свойством сжимаемости, которое проявляется при действии на них внешних сил. Характерным отличием этих жидкостей является наличие у капельных жидкостей свободной поверхности, а газы распространяются по всему предоставленному им объёму.

Важнейшими физическими характеристиками жидкости являются её плотность и удельный вес. Плотность обозначается и представляет собой отношение массы жидкости к её объёму:

=.

где М — масса, кг;

V — объём, м3.

Для сравнения приведены значения плотностей часто встречающихся жидкостей и твёрдых тел в системе единиц СИ при нормальных условиях.

• 1. Вода…1000 кг/м3
• 2. Минеральное смазочное масло…900 кг/м3
• 3. Ртуть…13 600 кг/м3
• 4. Сталь… 8 000 кг/м3
• 5. Чугун… 7 000 кг/м3

В практических расчётах иногда вместо плотности используется удельный вес, который равен отношению веса жидкости к её объёму:

Отметим, что удельный вес — величина векторная и не является параметром состояния вещества в отличие от плотности, так как он зависит от ускорения свободного падения q в пункте определения, т. е. Между удельным весом и плотностью существует простая зависимость:

q.

Рис. 3.

Важным физическим свойством жидкости, определяющим её способность к истечению, является вязкость. Вязкость жидкости — это её свойство оказывать сопротивление относительному движению её частиц [1]. В зависимости от вязкости жидкости в гидравлике принято условно делить на реальные и идеальные. Для описания закономерностей движения идеальной жидкости, в которой отсутствуют силы сцепления и трения между её структурными частицами, используются более простые математические зависимости.

Количественно вязкость жидкости, как её способность к истечению характеризуется коэффициентами динамической вязкости и кинематической вязкости .

Коэффициент динамической вязкости — это сила внутреннего трения, которая приходится на единицу поверхности соприкосновения двух движущихся слоёв жидкости при градиенте скорости равном единице, т. е.:

Па•с, (2.1).

где: Т — сила внутреннего трения, Н;

? — площадь поверхности соприкасающихся слоёв, м2;

— градиент скорости на единицу длины, 1/с. (рис. *…).

Значение коэффициента часто выражают в пуазах (П) с учётом, что.

0,1 = 1П.

При выводе уравнений гидродинамики иногда вместо коэффициента динамической вязкости используют коэффициент кинематической вязкости, который представляет собой вязкость, приведённую к плотности жидкости, определяется из выражения (1.2):

м2/с (2.2).

В гидравлических расчётах более удобно использовать коэффициент кинематической вязкости и выражать его не в м2/с, а в более мелких единицах — стоксах (СT) с учётом того, что 1СT = 10−4 м2/с.

Отметим, что при повышении температуры вязкость несжимаемых жидкостей уменьшается.

Например, для воды при 15°С: = а при 20 °C.

=, т. е. уменьшается на 14%.

Одной из основных характеристик жидкости, отличающей её от твёрдых тел, является гидростатическое давление. Известно, что в статике при взаимодействии поверхностных и массовых сил в жидкости возникают внутренние силы, вызывающие напряжение внутри жидкости, аналогичное напряжению в твёрдых телах при действии на них внешних сил.

С физической точки зрения гидростатическое давление, как и давление твёрдого тела, представляет собой отношение силы к площади сечения, на которой эти силы действуют, т. е.

** Сила гидростатического давления, см. рис. 1 ^.

рcp =, Па, (2.3).

где рcp — среднее гидростатическое давление,.

Па = ,.

Наряду со средним гидростатическим давлением, в гидравлике существует понятие давление в точке А. * (см. рис. 2 ^).

р = (2.4).

где — элементарная сила, Н ;

— элементарная площадь, м2.

Однако, свойства гидростатического давления несколько отличаются от давления твёрдого тела. К числу таких свойств относятся:

• -гидростатическое давление всегда действует по внутренней нормали, направленной к площадке действия;
• — гидростатическое давление не зависит от ориентации, или угла наклона площадки действия и в различных направлениях одинаково по величине;
• — гидростатическое давление зависит от координаты точки в пространстве, т. е. в статике оно зависит от глубины погружения.

Связь между различными видами давлений устанавливается на основе приведённого дифференциального уравнения Эйлера, представляющего собой полный дифференциал давления [2]:

dp =? (ax dx + ay dy + az dz) (2.5).

где? — плотность жидкости, кг/м3;

ax, ay, az — проекции ускорений на оси координат;

dx, dy, dz — приращения по осям координат, м.

В статике, когда в жидкости вертикально вниз действует только сила тяжести.

При dx = 0 и dy =0 имеем dp=? az dz ** (см. рис. 3 ^). Тогда после интегрирования последнего уравнения и замены az z = qh получим основное уравнение гидростатики (1.6):

(2.6).

где p — абсолютное давление;

— избыточное давление; (** размерность…).

рo — атмосферное давление.

(Интегрирование ур-я 2.5.***…).

Заметим, что после интегрирования уравнения (1.5) произведена замена: = q — ускорение свободного падения, z = h — глубина погружения. Из основного уравнения гидростатики (1.6) следует, что абсолютное давление жидкости в точке определяется глубиной погружения h и внешним давлением Po.

** Первое свойство гидростатического давления Приборы для измерения гидростатического давления.