Общие сведения о газах

Введение.

Аэродинамика - наука, изучающая силы, возникающие при взаимодействии потока воздуха или газа и тела помещённого в поток. Аэродинамика разделяется на теоретическую, экспериментальную и прикладную которые взаимно дополняют и обогащают друг друга. Теоретическая аэродинамика основывается на законах механики и обосновывает свои выводы путём математических расчётов. Экспериментальная аэродинамика изучает явления в специальных аэродинамических лабораториях или в полёте. Прикладная аэродинамика основана на практических инженерных расчётах. Она базируется на положениях и выводах теоретической и экспериментальной аэродинамики. Основными направлениями прикладной аэродинамики являются: теория крыла, аэродинамический расчёт, динамика полёта, устойчивость, управляемость самолёта и т.д. Изучение аэродинамики начнём с изучения свойств воздуха, от которых зависит характер сил, возникающих при движении тел в потоке.

Общие сведения о газах.

Основные параметры воздуха. Основными характеристиками воздуха являются его физические параметры:

давление, температура и плотность. От величины этих параметров зависят свойства воздуха: вязкость, сжимаемость, упругость, влажность, и др.

Давление Р - это сила F, действующая на единицу поверхности S по нормали к ней:

P = F/ S (1.1)

Давление измеряется в килограммах на метр (или сантиметр) квадратный (кГ/м² или кГ/см²), в атмосферах (ат, атм), миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) и других единицах.

В Международной системе единиц (СИ) Давление измеряется в ньютонах на квадратный метр (н/м²).

Техническая атмосфера (ат). В технике за единицу давления принята техническая атмосфера:

1 ат. = 1 кГ/см² = 10000 кГ/м² - 10 м вод. ст. = 735,6 мм рт. ст. = 9806ДО н/м ².

Физическая атмосфера (атм). Физической атмосферой называется нормальное атмосферное давление на уровне моря:

1 атм. = 760 мм рт. ст. = 10 332,3 кГ/м² = 101 325 н./м².

Температура воздуха - это степень его нагретости. Температура измеряется в градусах по абсолютной шкале Кельвина (К) или по шкале Цельсия (°С). В этих шкалах за начало отсчета температур приняты различные физические состояния газа. Температура газа по шкале Кельвина обозначается буквой Т, а по шкале Цельсия — буквой t.

 

За нуль в шкале Кельвина принята точка, лежащая на 273 деления ниже точки плавления льда и называемая абсолютным нулем. В шкале Цельсия за нуль принята точка плавления льда.

Плотность воздуха ρ — это отношение массы m или веса воздуха к его объему υ. Масса воздуха, заключенная в единице объема, называется массовой плотностью:

ρ = m / υ (1.2.)

Вес воздуха Gв, заключенный в единице объема, называется весовой плотностью γ (удельным или объемным весом):

γ = Gв / υ (1.3)

Физические свойства воздуха. Вязкость — свойство воздуха (газа) оказывать сопротивление движению своих частиц относительно друг другу а также перемещению в нем тела.

Вязкость характеризуется коэффициентами пропорциональности, называемыми коэффициентом динамической вязкости и коэффициентом кинематической вязкости.

Сжимаемость - свойство воздуха изменять свой объем и плотность при

изменении давления и температуры.

Количественно сжимаемость можно охарактеризовать отношением изменения плотности Δρ к изменению давления Δр, т. е. величиной Δρ / Δр. Если это значение велико то значит, что большое изменение плотности Δρ вызвано малым изменением давления Δр. Это говорит о том, что воздух легко сжать. Если отношение Δρ / Δр мало, то воздух сжать труднее, т. е. сжимаемость его меньше. Величина Δρ / Δр обратно пропорциональна квадрату скорости звука

Δρ / Δр = 1/а² (1.4.)

На основании /1.4 / видно, что скорость распространения звука в данной среде характеризует сжимаемость среды. Чем среда менее сжимаема, тем больше скорость звука, чем легче сжать среду, тем меньше скорость звука.

Δρ / Δр = 1 / 400 Т (1.5.)

Из формулы видно, что сжимаемость воздуха зависит от его температуры: чем температура ниже, тем сжимаемость больше.

Международная стандартная атмосфера.

Атмосфера — газовая оболочка земли. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое..Наблюдения показали, что атмосфера имеет чётко выраженное слоистое строение, (табл. 1.1). Атмосфера состоит из тропосферы, верхняя граница которой достигает в среднем до 11 км, с 11 до 35 км расположена стратосфера, между этими сферами находится слой тропопаузы. С высоты 35 км до 80 км находится мезосфера и слой мезопаузы. Выше 80 км находится термосфера.

В самой нижней части атмосферы - тропосфере, наблюдается интенсивное турбулентное перемешивание, в результате чего давление, температура и массовая плотность воздуха атмосферы изменяются в широких пределах и зависят от широты и долготы места, высоты, времени года, суток и т. д.

Таблица 1.1.

Основные сферы и переходные сдои атмосферы
Сфера	Средняя высота верхней и нижней границ, км	Переходный слой
Тропосфера	0-11	Тропопауза
Стратосфера	11-35	Стратопауза
Мезосфера	35-80	Мезопауза
Термосфера	Выше 80

 

Для удобства выполнения расчетов, пригодных для различных условий атмосферы в мировой практике принята осредненная стандартная атмосфера, которую называют международной стандартной атмосферой (МСА). Параметры стандартной атмосферы соответствуют среднегодовым значениям параметров воздуха в средних широтах.

 

В МСА за начало отсчета высоты принят уровень моря при следующих условиях:

Атмосферное давление = 760 мм рт. ст. или ρо = 10332 кГ/м ² (в системе СИ ρо = 101,4 • 10³н/м²).

температура t = 15°С (288°К);

массовая плотность воздуха ρо = 0.125 кГ.сек² / м4 (в системе СИ ρо = 1,2257 кГ/м³)

удельный вес воздуха у = 1,225 кГ•м³ (в системе СИ γ = 12,013 н/м ³).

Контрольные вопросы

1. Что такое температура воздуха?

2. Что такое давление воздуха?

 

3. От каких параметров воздуха зависит скорость звука?

4. Где может применяться МСА?

5. Как количественно определяется сжимаемость?