Основные физические свойства жидкостей и газов

 

Необходимо хорошо уяснить понятия жидкости (или газа) как сплошной непрерывной среды и жидкой частицы как бесконечно малого объема этой среды, однако во много раз большего, чем объем молекулы. При изучении равновесия и движения жидкостей, газов жидкая частица представляется как материальный объект, к которому применимы все законы механики. Это позволяет использовать для исследований явлений и процессов в жидкостях и газах математический аппарат бесконечно малых величин и теорию непрерывных функций.

В жидкости действуют поверхностные силы (сжатия, растяжения, трения), приложенные к поверхностям, ограничивающим ее объем, и массовые силы (тяжести, инерции, электромагнитные), распределенные по всей массе. В связи с непрерывностью среды удобно пользоваться единичными (удельными) силами. Единичная поверхностная сила (приходящаяся на единицу площади) – это напряжение (нормальное, касательное); единичная массовая сила (приходящаяся на единицу массы) – это ускорение.

Изучить такие физические свойства жидкостей, как сжимаемость, температурное расширение, вязкость, поверхностное натяжение, парообразование, растворение газов и показатели, характеризующие эти свойства. Выяснить, как зависят плотность, модуль упругости, вязкость жидкости от температуры и давления; при каких условиях допустимо считать жидкость несжимаемой.

Следует запомнить единицы измерения всех применяемых гидравлических величин в системе единиц СИ, а также перевод основных единиц системы МКГСС в систему СИ. Несогласованность единиц измерения приводит к грубым ошибкам в расчетах.

Важно уяснить понятия жидкости: идеальная, реальная, ньютоновская, неньютоновская (аномальная).

Вопросы для самопроверки

 

1. Как определяются плотность, модуль упругости, коэффициент температурного расширения жидкости?

2. Что такое динамическая и кинематическая вязкость? Как они определяются?

3. Как влияют изменения температуры и давления на плотность, модуль упругости и вязкость жидкостей?

4. Что такое давление насыщенного пара жидкости? От чего оно зависит?

5. От чего зависит растворимость воздуха и других газов в жидкости?

6. Чем отличается идеальная жидкость от реальной?

7. В каких случаях можно и в каких нельзя пренебречь сжимаемостью жидкости?

8. Дайте определения и приведите примеры ньютоновской и неньютоновской жидкостей.

 

Л и т е р а т у р а: [ 1, с. 8…13]; [ 2, с. 6…15]; [ 4, с. 5…20].

 

Гидростатика

 

Гидростатика – это раздел гидравлики, в котором рассматриваются законы равновесия жидкости и их практическое приложение.

В покоящейся жидкости действуют только нормальные напряжения сжатия, т.е. гидростатическое давление. Важно понять, что такое гидростатическое давление в точке и какими свойствами оно обладает.

Уметь выводить и анализировать дифференциальные уравнения равновесия несжимаемой жидкости (уравнения Эйлера), понять смысл уравнения поверхности одинаковых давлений. Путем интегрирования уравнений Эйлера при различном сочетании действующих массовых сил (тяжести, инерции) получить уравнения поверхностей одинаковых давлений и уравнения распределения давлений для абсолютного покоя и различных случаев относительного покоя жидкости. Из этих уравнений наиболее широко используется основное уравнение гидростатики, полученное для условий абсолютного покоя (когда из массовых сил действует только сила тяжести). Нужно глубоко вникнуть в физический смысл основного уравнения гидростатики, закона Паскаля.

Разобраться в измерениях гидростатического давления: уяснить понятия абсолютного, избыточного давлений, вакуума, пьезометрической и вакуумметрической высот, гидростатического напора; ознакомиться с устройством соответствующих приборов для измерения давлений и напоров.

Обратить внимание на вывод закона сообщающихся сосудов.

Знать аналитический и графоаналитический методы определения сил давления жидкости на плоскую и криволинейную поверхности; уметь определять в первом и во втором случаях положение центра давления.

Ознакомиться с выводом закона Архимеда, условиями плавания и статической остойчивости тел.

Уяснить принципы использования закона гидростатики в простейших поршневых гидромашинах (пресс, преобразователь давления, аккумулятор). Для них характерны большие гидростатические давления, создаваемые поршнями, сравнительно небольшие разности высотных отметок различных точек жидкости, малые скорости перемещения поршней. Это позволяет пренебречь в расчетах удельной потенциальной энергией положения, удельной кинематической энергией жидкости и считать давление во всех точках замкнутого объема одинаковым.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Что такое гидростатическое давление и какими свойствами оно обладает?

2. Напишите основное уравнение гидростатики в двух вариантах:

а) все члены уравнения имеют размерность напора; б) все члены уравнения имеют размерность давления. Объясните энергетический смысл этих уравнений.

3. Что такое абсолютный и относительный покой жидкости?

4. Объясните вид свободной поверхности жидкости: а) в цистерне, движущейся по горизонтальной поверхности равноускоренно (при положительном и отрицательном ускорениях); б) в сосуде, вращающемся вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью.

5. Объясните понятия абсолютного, избыточного давления, вакуума. Как измерить избыточное давление и вакуум?

6. Как определить силу давления жидкости на плоскую поверхность и центр давления аналитическим и графоаналитическим методами?

7. Как определить силу давления жидкости на криволинейную поверхность и линию действия этой силы?

8. Сформулируйте закон Архимеда.

9. Какие устройства конструируются на основе закона Паскаля?

 

Л и т е р а т у р а: [ 1, с. 13…34]; [ 2, с. 15…34]; [ 4, с. 23…46].