Основной механической характеристикой жидкости является ее плотность. Плотностью r называют массу жидкости, заключенную в единице объема: для однородной жидкости где М – масса жидкости в объеме W. Удельным весом g называют вес единицы объема жидкости, т. е. Сжимаемость, или свойство жидкости изменять свой объем под действием давления, характеризуется коэффициентом bp объемного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления, т. е. (1.7) Сжимаемость жидкостей следует учитывать или при очень высоких давлениях (порядка 1000 кГ/см2 в силовых приводах), или при расчете упругих колебаний систем гидроавтоматики (для давлений, превышающих 25 кГ/см2). Различают адиабатический и изотермический модуль упругости. Первый несколько больше второго и проявляется при быстро протекающих процессах сжатия жидкости без теплообмена с окружающей средой. Температурное расширение характеризуется коэффициентом bT объемного расширения, который представляет собой относительное изменение объема при изменении температуры на 10 С, т. е. (1.10) где r0 и r значения плотности при температурах T0 и T. Для воды коэффициент bT возрастает с увеличением давления и температуры ( 14 x 10-6 при 00 С и 1 кГ/см2, 700 x 10-6 при 1000 С и 100 кГ/см2), для минеральной жидкости АМГ – 10 в диапазоне давлений от 0 до 150 кГ/см2 он практически не изменяется и равен 800 x 10-6 1/ 0С. Сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей. По молекулярной теории может быть весьма значительным – до 10000 кГ/см2. В опытах с тщательно очищенной и дегазированной водой в ней получены кратковременные напряжения растяжения до 230 – 280 кГ/см2. Однако технически чистые жидкости, содержащие взвешенные твердые частицы и мельчайшие пузырьки газов, не выдерживают даже незначительных напряжений растяжения. Поэтому в дальнейшем будем считать, что напряжения растяжения в капельных жидкостях невозможны. На поверхности жидкости действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное давление в жидкости. Однако это давление сказывается лишь при малых размерах и для сферических объемов, (капель) определяется формулой
Для воды, граничащей с воздухом он равен 73, для ртути 460 дин/см. С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается. В трубах малого диаметра (капилляры), дополнительное давление, обусловленное поверхностным натяжением, вызывает подъем или опускание жидкости относительно нормального уровня. Высота подъема смачивающей жидкости (опускания не смачивающей жидкости) в стеклянной трубке диаметром d определяют по формуле для полусферического мениска где k имеет следующие значения в мм2: для воды +30, для ртути –10,1, для спирта +11,5. С явлением капиллярности приходится сталкиваться при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкости. Особенно важен учет сил поверхностного натяжения жидкости, находящейся в условиях невесомости.
Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (или скольжению) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при определенных условиях возникают касательные напряжения. Вязкость есть свойство, противоположное текучести. При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью (рис. 1.2). Рис. 1.2
(1.12) где m – коэффициент пропорциональности, получивший название динамического коэффициента вязкости жидкости; dv – приращение скорости, соответствующее приращению координаты dy (рис. 1.2.). Поперечный градиент скорости dv/dy определяет собой изменение скорости, приходящееся на единицу длины в направлении y и, следовательно, характеризует интенсивность сдвига слоев жидкости в данной точке. В случае постоянства касательного напряжения по поверхности S полная касательная сила (сила трения), действующая по этой поверхности, равна (1.13) Для определения размерности коэффициента вязкости решим уравнение (1.12) относительно m, в результате получим нxс/м2 В системе СГС за единицу вязкости принимается 1 пуаз = 1 динаxс/см2=0,1 нxс/м2 Наряду с динамическим коэффициентом вязкости m применяют еще так называемый кинематический коэффициент вязкости (1.14) В качестве единицы измерения кинематического коэффициента вязкости употребляется 1 стокс = 1 см2/с. Сотая доля стокса называется сантистоксом. В системе СИ размерность n - м2/с. Отсутствие размерности силы в размерности этой величины и послужило поводом к названию ее кинематическим коэффициентом вязкости. Вязкость капельных жидкостей зависит от температуры, уменьшаясь с увеличением последней. Вязкость газов с ростом температуры увеличивается. Это объясняется различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличением температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает. В газах же вязкость обусловлена главным образом беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с ростом температуры. Характерные кривые изменения вязкости от температуры приведены на рис. 1.3.
Рис. 1.3
Влияние температуры на вязкость жидкости можно оценивать следующей формулой где m и m0 – значения вязкости при температурах T и T0; l - коэффициент, значение которого для масел меняется в пределах 0,02 – 0,03. Вязкость жидкостей зависит также от давления, однако эта зависимость существенно проявляется лишь при относительно больших изменениях давления, порядка нескольких сотен кГ/см2. Из закона трения, выражаемого уравнением (1.12), следует, что напряжения трения возможны только в движущейся жидкости, т. е. вязкость жидкости проявляется при ее течении. В покоящейся жидкости касательные напряжения будем считать равными нулю. Испаряемость. Это свойство присуще всем капельным жидкостям. Растворимость газов в жидкостяхпроисходит при всех условиях, но количество растворенного газа в единице объема жидкости различно для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления. Относительный объем газа, растворимого в жидкости до ее полного насыщения, можно считать прямо пропорциональным давлению, т. е. где Wг – объем растворенного газа при нормальных условиях; Коэффициент k растворимости воздуха имеет следующие значения при 200 С: для воды – 0,016, для жидкости АМГ–10 – 0,104. При понижении давления в жидкости происходит выделение растворенного в ней газа, причем газ выделяется из жидкости интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем. |