Растворимость газов в ж. Парообразование. Кипение. Кавитация.

Понятие ж, виды.

Жидкость – это физ-е тело, обладающее свойствами текучести, т.е способностью изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Св-во текучести обусловлено тепловым перемещением молекул и проявляется в малой сопротивляемости деформации сдвига, т.е в малой упругости формы. Жидкость не имеет форм. Термин ж явл-ся собират-ым, он использ-ся для обозначения жидкости, газов.

Принято ж разделять на капельные(1) и газообразные(2) ж. Капельные: вода (малые объемы), керосин, бензин, минер-е масла. Газообразная: воздух, газы, пары, смеси газов и паров.

Некоторые св-ва: (1): Малая сжимаемость, капельные ж занимают часть представленного объема, образуя поверхность раздела ж, газ, к-я наз-ся свободной поверхностью. (2): легко сжимаются.

Капельные ж по характеру молекулярных движений численному значению молекулярных сил занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами, поэтому они обладают св-ми, характерными как для твердых тел, так и для газов. Рис.

 

Модель жидкости.

В гидравлике при изучении з-ов равновесия и движения реальная ж заменяется ее моделью. Требования: Модель должна отражать существенные, решаемые в рамках данной задачи св-ва ж, быть достаточно простой, наглядной и допускать применения мат. Методов анализа, - иначе польза будет мала.

В гидравлике использ-ся модель ж, в основе к-ой лежит гипотеза сплошности высказанная франц ученым в 1841 Даламбером. Согласно гипотезе ж состоит из бесконечного множ-ва элементарных объемов, к-е наз-ся жидкими частицами, они примыкают друг к другу и заполняют без промежутков все предоставленное пространству. Параметры ж в пределах частицы, такие как скорость, давление, плотность, вязкость и т.д измен-ся на бесконечно малую величину. Ж-е частицы взаимод-т друг с другом и ограничиваюие поверхностями перемещ-ся и деформируются, при этом их объем и форма изменяется, однако масса каждой из частиц остается неизменной. Предполаг-ся, что к жидким частицам применимы з-ны механики тв тела, что явл-ся мостом. Данная гипотеза позволяет представить ж сложной средой, масса к-й непрерывно распределена по объему. В силу этого и все остальные параметры явл-ся непрерывными по объему и представляет собой дифференцируемые ф-ии координат точки и времени.

Она значительно упрощает исследование равновесия и движ-е ж, позволяя применять для их описания дифференциальное исчисление. В любой науке столько истины, сколько в ней матем-ки. В гидравлике ж замен-ся ее моделью.

 

Плотность ж.

Интенсивность распределения массы по объему характеризует величина, к-ю наз-ют плотностью. Плотность явл-ся основной харак-ой жид-ти. Понятие плотности ввел Ньютон. Плотность (ρ) – это отношение массы ж к объему, к-й она занимает. ρ= (кг/м³) (1). Данное опред-е справедливо для однородной ж, имеющей одинаковую интенсив-сть распределения массы по объему. Для неоднород-й ж (1) позволяет найти среднюю плотность по объему. Плотность неоднородной ж в нек-ой точке А опред-ся след-им образом: ρ_А=lim_ΔV-0 , где Δm- масса малого объема ΔV, к-ый стягивается в т. А. Плотность зависит от давления и температуры. Для технических ж увеличение давления, влечет за собой увеличение плотности, увеличение температуры, влечет за собой уменьшение плотности. Ф(р,ρ,t)=0 – уравнение состояния. С плотностью связаны след- е параметры: 1. Относительная плотность (δ) δ= , ρ_ст- плотность стандартного тела, в кач-ве к-го дестилтрованная вода при темпер-ре 4 градуса, р_а=760 мм РТ ст. 2. Удельные объем – объем единицы массы ж. (v) v= = , м³/кг 3. удельный вес – это отношение веса ж к объеиу, к-ый она занимает γ= = =ρg, g=9,81 м/c²

Плотность ж измер-ся ареометрами и пикнометрами.

 

Основные св-ва ж.

Объемные св-ва ж. Объем ж – явл-ся функцией от давления и темпер-ры V=V(p,t) Пусть при р и t получим приращение Δр иΔt относит-но своих начальных значений. Необходимо восполь-ся ф-ой Тейлора: V(p+Δp; t+Δt)= V(p,T) - - Δp+- Δt+… Найти абсолютное приращение объема ж: ΔV=V(p+Δp; t+Δt)- V(p,T)=- - Δp+- Δt. Удобнее польз-ся относит-ым изменением объема: =- (- - Δp+- Δt) (1). «-» в этих ф-ах означает, что объем ж уменьшается пр и возрастании давления. Полученная ф-ла (1) связывает полное относит-е приращение объема с приращением давления Δр и темпер-ры Δt.

Коэфициент, входящий в соотнош-е (1) (стоящий перед Δр в (1)) наз-ся изотермическим коф-ом объемного сжатия (β) β_р= , (1/Па) (2). Он характеризует относительное изменение объема ж при изменении давления на 1 Па при фиксированном знач-ии темпер-ры t. Под действием давления ж сжимается, меняет форму. Величина, обратная коэф-ту сжатия наз-ся изотермическим модулем упругости (к), к= 1/β_р, (Па) (3).

Коэф-т, стоящий в выражении (1) перед Δt именуетсяизобарным коэф-ом объемного расширения β_t. β_t=- (1/⁰C). Он представляет собой относ-е изменение объема ж при изменении t на 1градус при фиксированном начальном знач-ии р. (2), (3), (4)—(1): = + β_tΔt (5).

Будем рассматривать 2 характерных случая. 1-й случай: Предположим, что сжатие ж происходит при постоянной темпер-ре Δt=0—(5): = Полученное соотношение представляет собой обобщенный з-н Гука. Роберт Гук англ естествоиспытатель. Растяжение пружины: какого удлинение, такова и сила. Какого сжатие ж, такого и давление. К- модуль упругости. К_вода=2060МПа, можно показать, что = , т.е убыль относ-го объема ж = приращению относит-ой плотности ж. = , = =а², (м/c)². А-скорость распространения волны деформации в ж, к-я наз-ся скоротью звука в ж. а= . Упругость ж. м.б оценена изотермич-им коэф-ом β_р, изотермическим модулем упругости К, скоростью звука в ж. а. К=1/ β_р, а= 2-ой случай. Предположим, что ж нагрев-ся при постоянном давлении, Δр=0—(5): = β_tΔt Это соотношение выражает з-н объемного теплового расширения ж. β_t=(6..8)10^-41/⁰С

 

5.Вязкость ж.

Вязкость – это св-во ж оказывать сопротивление относительному сдвигу слоев. Вязкость проявляется в том, что при относ-ом перемещении слоев на поверхности их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, к-е наз-ся силами внутр-го трения или силами вязкости. Эти силы явл-ся следствием межмолекулярных связей между соприкасающимися слоями и существуют только в движущейся ж. Рис. Скорсть слоев увелич-ся по мере удаления от тв стенки. Скорости слоев разные.

Гипотеза Ньютона: 1686г: при слоистом течении ж, силы внутр трения между слоями пропорциональны площади соприкосновения и градиенту скорости. Т-сила вязкого трения. Т=±µS , (Н) (6) – з-н внутр-го трения Ньютона: S- площадь соприкасающихся слоев, - градиент скорости, характеризующий интенсивность сдвига слоев вдоль нормали к стенке. Знак в ф-ле (6) опред-ся знаком градиента: «+», если >0, «-»,если <0. Соотношение (6) наз-ся з-ом внутреннего трения ньютона. Коэф-т пропорцион-ти µ, входящий в з-он внутр-го трения Ньютона назся динамической вязкостью. СИ – (1Пас), СГС-1пуаз(П), 1П=0,1Пас

Кроме динамической вязкости в гидравлике используют понятие кинемат-ой вязкости υ= СИ (1м²/c), СГС (1стокс), 1Ст=10^-4м²/c, 1cCт=10^-6м²/c. Вязкость зависит от рода и хим состава жидкости, температуры и давления. Увеличение температуры приводит к снижению вязкости. Увеличение давления приводит к незначительному увеличению µ. Гипотеза Ньютона была экспериментально подтверждена Шарлем Кулоном и Петровым. Ж в к-х сила внутр-го трения следует з-ну Ньютона наз-ся Ньютоновскими или нормальными жидкостями. К ним относ-ся вода, бензин, керосин, большинство минерал-х масел, используемых в технике. Ж не подчиняющаяся з-ну Ньютона наз-ся неньютоновскими или аномальными: смолы, нек-е масла при темпер-ре близкой к темпер-ре замерзания, каллоиды.

Вязкость ж. измер-ся с помощью вискозиметра (В) Они подраздел-ся на капиллярные В, В истчения, шариковые В, ротационные и ультразвуковые.

 

Растворимость газов в ж. Парообразование. Кипение. Кавитация.

Все ж в опред-ой степени поглощают и растворяют газы. Кол-во поглощенного газа зависит от давления. Чем больше давление, тем больше объем газа раствор-ся в ж. Понижение давления в какой-либо точке гидросистемы влечет за собой выделение в этом месте мельчайших пузырьков и образование пены. Это приводит к уменьшению плотности ж, увеличению сжимаемости, нарушению сплошности потока. Пример насыщения ж газом: газировка, кисонная болезнь.

Парообразование. Капельные ж при опред-х давлениях и температуре переходят в газообразное состояние. Этот процесс наз-ся парообразованием. Обратный процесс – процесс перехода из газообразного состояния в жидкое наз-ся – конденсацией. В замкнутом простр-ве указанные переходы могут существовать одновременно. Это состояние наз-ся насыщенным паром. Давление, соответствующее этому состоянию наз-ся давлением насыщенного пара (р_нп), к-е зависит от рода ж и темпер-ры. С увеличением темпер-ры давление насыщенного пара растет.

Кипение ж. Кипение – процесс интенсивного парообразования внутри ж. При этом образ-ся пузырьки и полости с паром, к-е всплывают и выходят через свободные поверхности ж. Кипение возникает при р=р_нп. При кипении р в ж не м.б больше р_нп. Температура при к-ой р=р_нп наз-ся температурой кипения. Конденсация паров происходит при р>р_нп.

Кавитация – явление местного выкипания ж с последующей конденсацией ее паров. Давление в ж сначала уменьш-ся, а затем происходит кипение, образ-е пузырьков, а потом р увелич-ся. Смыкание пузырьков и полостей паров сопровождается характерным шумом, местным повышением давления до сотен и температуры до 1000-1500 градусов. Пути борьбы: испоз-е кавитационно-стойкихматер-ов (резина, бутан). Кавитация в послед-м время использ-ся с пользой для дела: -очистка внутр поверхностей емкостей, -обогревательные устройства (шумный)

 

Силы, действующие в ж.

Гидростатика – раздел гидравлики, изучающий з-ны равновесия ж. Равновесие ж – состояние покоя ж относительно водяного тела отсчета. Ж наход-ся в равновесии благодаря действующим на нее силам. Сила – это мера взаимодействия тел (ж, огранич-е поверх-ти). В гидравлике рассм-ся внутренние и внешние силы. Внешние – мера взаимод-я ж с ограничивающими поверхностями и др телами. Внутр-е силы – результат взаимод-я жидких частиц между собой.

Подвижность жидких частиц не позволяет ж воспринимать сосредоточенные силы, поэтому в ж действуют только распределенные силы, к-е можно разделить на 2 группы:

Поверхностные силы: к ним относ-ся силы непрерывно распределенные по поверхности ограничивающей объем ж илинамеченной внутри ж. Намеченной – это мысленно проведенной. Эти силы явл-ся результатом непосредственного взаимодействия жидких частиц между собой и жидких частиц с ограничивающими поверхностями. Величина этих сил пропорциональна площади поверхности по к-ой они действуют. Поверхностные силы могут быть разложены на 2 составляющие: нормальной к поверхности и касательной к поверхности. Нормальная составляющая – это сила давления. Касательная составляющая – сила поверхностного натяжения, сила внутр-го трения.

Массовые силы – это силы, дествующие на каждую жидкую частицу и непрерывно распределенные по всему объему ж. Они явл-ся результатом полевого взаимодействия, непосредственного контакта нет. Их величина пропорциональна массе. К ним относ-ся: сила тяжести и сила инерции. Единичная поверхностная сила – это поверхностная сила, отнесенная к единице площади. Она характер-ет интенсивность распределения повер-ых сил. Физически – напряжения, нормальные или касательные в зависимости от напр-я сил. Нормальные напряжения при сжатии наз-ся давлением. Капельные ж. не оказывают сопротивление растяжению. Ж. не оказыв-т сопрот-е растяжению, в ней невозможны напр-я растяжению. Единичная массовая сила – это массовая сила, отнесенная к единице массы. Физич-й смысл – ускорение жидкой частицы.

8.Гидростатическое давление и его св-ва. Рис.

Вокруг точки А, наход-ся в покоящейся ж выделим малый объем ΔV. ΔТ=µS , т.к U=0, то ΔТ=0. На площадку ΔS действует только нормальная составляющая ΔF, она явл-ся сжимающей силой. Ее действие уравновешивается со стороны оставшегося объема силой ΔF, в рез-те объем наход-ся в равновесии. Если теперь взять отношение силы ΔF к площадке ΔS и рассмотреть предел ΔS—0, то получим физическую величину называемую давлением в жидкости в точке к которой стягивается площадка ΔS. Р=lim_{ΔS-0 =} (1)

Давление – это мера интенсивности внутр-х поверхностных сил в ж, к-е вызваны поверхностными внешними и массовыми внеш силами. Давление в покоящейся ж наз-ся гидростатическим. Из соотношения (1) следует, что направ-е давления р совпадает снаправ-ем силы ΔF, т.к ΔS- это скаляр. Единца измерения давления в СИ – Па, 1Па= 1Н/м² На практике применяют и другие системные и внесистемные единицы измер-я р: бар, мм РТ ст, мм вод ст, техническая атмосфера (ат), физическая атмосфера (а). Численно Паскаль связан с указанными ед-ми след-им образом: 1бар=10⁵Па, 1мм РТ ст. 133,3 Па, 1мм вод ст=9,81Па, 1а.т=0,981* 10⁵Па= 98,1кПа, 1а=1,013*10⁵=101,3кПа

Св-ва гидростатического давления: 1. На внешней поверх-ти жидкости ГСД направлено по нормали внутрь объема ж. 2. В любой точке внутри ж ГСД давление по всем направлениям одинаково, т.е не зависит от наклона площадки ΔS по к-ой оно действует. Физически эти св-ва обусловлены тем, что покоющаяся ж не передает касательные и растягивающие силы, а воспринимает только равномерные всесторонне сжатие, т.е любая жидкая частица сжата со всех сторон одинаково. Как правило измеряют избыточное давление, к-е измер-ся манометрами: механические и жидкостные.

 

123456Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: