Физические свойства жидкостей

 

Плотность

 

Под плотностью ρ понимают массу единицы объема жидкости:

 

,

 

где m – масса жидкости, кг;

V – объем жидкости, м³;

 

Единицей измерения плотности в системе СИ является кг/м³.

Плотность жидкостей зависит от температуры и практически не зависит от давления. Значения плотности определяются опытным путем и приводятся в справочной литературе.

В некоторых случаях для характеристики вещества применяют относительную плотность (∆), которая представляет собой отношение плотности рассматриваемого вещества к плотности другого (условного) вещества при определенных физических условиях. В качестве условного вещества для определения плотности жидких и твердых веществ принимают воду. Относительную плотность газов выражают по отношению к сухому воздуху или водороду [5].

Плотность газов значительно меняется с изменением давления и температуры. В технических расчетах при определении плотности газов (паров) при рабочих условиях с достаточной точностью применимы законы идеальных газов. Тогда плотность газа в зависимости от температуры и давления можно рассчитать по формуле:

 

 

где ρ₀, Т₀, р₀ – плотность, температура и давление при нормальных физических условиях (273 К, 760 мм рт ст).

Т, p - температура и давление при рабочих условиях;

 ,

 

где М - молярная масса газа, кг/кмоль.

Вязкость

 

Вязкость является способностью жидкости сопротивляться относительному сдвигу ее слоев.

При движении реальной жидкости, вследствие неравенства скоростей частиц, в ней возникают силы внутреннего трения. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга.

Согласно закону внутреннего трения Ньютона - напряжение внутреннего трения, возникающее между слоями жидкости при ее течении, прямо пропорционально градиенту скорости:

 

,

 

где   τ_тр – напряжение внутреннего трения (напряжение сдвига или касательное напряжение),

μ – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической вязкости жидкости,

 - градиент скорости, характеризующий изменение скорости, приходящееся на единицу расстояния по нормали между слоями.

 

Знак минус в правой части уравнения указывает на то, что касательное напряжение тормозит слой, движущийся с относительно большей скоростью (или разгоняет относительно медленно движущийся слой).

Жидкости, вязкость которых подчиняется закону трения Ньютона, называются ньютоновскими, в этих жидкостях зависимость между касательным напряжением и градиентом скорости имеет линейный характер.

Вязкость капельных жидкостей уменьшается с увеличением температуры и практически не зависит от давления (зависимость проявляется лишь при давлениях в несколько десятков МПа).

Вязкость газов возрастает с увеличением температуры и давления.

Количественно вязкость может быть выражена в виде динамического или кинематического коэффициентов вязкости.

Единицей измерения динамического коэффициента вязкости в системе СИ - Па·с.  Другой единицей измерения динамического коэффициента вязкости является Пуаз (1 П).   Связь между единицами следующая: 1 П = 0,1 Па·с.

Кинематический коэффициент вязкости ( представляет собой отношение коэффициента динамической вязкости  (μ) к плотности жидкости (ρ):

 

,

 

Единицей измерения кинематического коэффициента вязкости в системе СИ является   м²/с. Другой единицей измерения кинематического коэффициента вязкости является Стокс (1 Ст). Связь между единицами следующая: 1 Ст = 10^-4 м²/с.

Вязкость жидкостей измеряют при помощи приборов, которые называются вискозиметры.

Принцип работы вискозиметров основан на определении времени истечения жидкости через калиброванное отверстие или через калиброванный капилляр.

 

ГИДРОСТАТИКА

 

В гидростатике изучается равновесие жидкостей, находящихся, в общем случае, в состоянии относительного покоя, при котором в движущейся жидкости ее частицы не перемещаются друг относительно друга. При этом силы внутреннего трения отсутствуют, что позволяет считать жидкость идеальной.

В состоянии относительного покоя форма объема жидкости не изменяется, и она, подобно твердому телу, перемещается как единое целое.

На неподвижную жидкость действуют поверхностные и массовые силы. В результате действия этих сил в жидкости возникает напряжение сжатия называемое гидростатическим давлением или просто давлением. Силы гидростатического давления, возникающего в жидкости, приводят к сохранению ее равновесия. Давление жидкости у поверхности раздела определяют по формуле

 

,

 

где р – гидростатическое давление,

F – поверхностная сила давления,

S – площадь поверхности раздела.

 

Под внешней поверхностью жидкости понимают поверхность раздела жидкости с газообразной средой, твердыми телами, а также поверхность объема, мысленно выделенного из общего объема жидкости. Давление жидкости распределяется по всему объему.

Гидростатическое давление в жидкости имеет следующие основные свойства:

1) гидростатическое давление действует по внутренней нормали к рассматриваемой площадке;

2) в любой точке внутри жидкости гидростатическое давление по всем направлениям одинаково, т. е. давление не зависит от угла наклона площадки, на которую оно действует в данной точке: следствие 2-го свойства: гидростатическое давление в точке зависит от ее координат в пространстве.