Урок Свойства гидростатического давления

Задание.

1. Прочитать материал по теме, составить краткий конспект

2.Ответить письменно на контрольные вопросы.

Тема «Основные понятия гидростатики» 2ч

Теоретический материал

Основные физические свойства жидкости.

 В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чего она обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида: капельные газообразные Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и другие

Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К газообразным жидкостям относятся все газы.

К основным физическим свойствам жидкости относятся:

Плотность – это масса жидкости, заключенная в единице объема. В Международной системе единиц (СИ) она измеряется в кг/м3. Для однородной жидкости

.

Если жидкость неоднородна в объеме V, то эта формула позволяет вычислить лишь среднее значение плотности, а истинная плотность в какой-либо точке может быть определена как

.

Значения плотностей жидкостей возрастают при повышении давления. Например, плотность воды при температуре 0°С изменяется с ростом давления (от 0,1 до 400 МПа) от 999 до 1146 кг/м3. С ростом температуры плотность жидкостей снижается. Исключением из этого правила является только вода в диапазоне температур от 0 до 4°С: ее плотность возрастает и достигает своего максимума (1000 кг/м3) при t = 3,98°С. При дальнейшем нагреве ее плотность снижается как и у других жидкостей. Именно по этой причине температура воды на дне глубоких водоемов зимой всегда 4°С. При остывании воды до 4°С циркуляция воды в водоеме прекращается, что препятствует промерзанию его до дна.

Значения плотностей некоторых широко распространенных жидкостей при нормальных условиях (t = 20°С, p = 0,1 МПа):

* вода – 998 кг/м3;

* ртуть – 13 546 кг/м3;

* нефть натуральная – 760 – 900 кг/м3;

* масла минеральные – 850 – 930 кг/м3;

* бензин – 712 – 780 кг/м3.

Удельный объем. Удельный объем – это объем жидкости единичной массы, то есть величина, обратная плотности:

.

Так уж сложилось исторически, что эта характеристика редко используется для капельных жидкостей, но очень широко применяется для газов.

Удельный вес. Удельный вес – это вес жидкости единичного объема:

.

Относительная плотность. Относительная плотность – это отношение плотности жидкости к плотности дистиллированной воды при 4°С:

.

Так как r воды+ 4 = 1000 кг/м3, то вычислять относительные плотности очень просто.

Все указанные характеристики жидкостей практически характеризуют одно и то же свойство.

Плотность жидкости можно вычислить по вышеприведенным формулам, а можно и измерить специальным прибором, называемым ареометром. Этот прибор похож на поплавок для рыбалки. Глубина его погружения зависит от плотности жидкости.

Сжимаемость. Сжимаемость –это свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость характеризуется двумя величинами: коэффициентом объемного сжатия b p и объемным модулем упругости K.

Коэффициент объемного сжатия – это относительное изменение объема жидкости, приходящееся на единицу давления

.

Знак “минус” в этом выражении введен для того, чтобы этот коэффициент имел положительные значения, так как производная всегда отрицательная.

Если принять, что , то можно приближенно рассчитать объем и плотность жидкости при изменении давления:

где V 0, r0 – объем и плотность жидкости при давлении p 0;

D p = p – p 0 – изменение давления.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется объемным модулем упругости

Объемный модуль упругости несколько возрастает при повышении давления и немного снижается при росте температуры. Оценим сжимаемость капельных жидкостей. При атмосферном давлении для минеральных масел K» 1320 – 1720 МПа. При повышении давления на 10 МПа (приблизительно 100 ат) изменение объема минерального масла составит примерно

то есть изменение объема жидкости при столь существенном изменении давления составило 0,67%. По этой причине в гидравлике очень часто жидкость считают несжимаемой.

Температурное расширение. Температурное расширение– это свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры. Характеризуется коэффициентом температурного расширения b T, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на 1 градус:

Для воды коэффициент при увеличении температуры возрастает (при p = 0,1 МПа и изменении температуры от 0 до 100°С приблизительно от – 0,000025 до +0,000720). Рост давления при низких температурах приводит к увеличению , а при температурах выше 50°С – к его снижению. Для большинства других капельных жидкостей с ростом давления уменьшается.

В конечной форме при b T = const (при малом изменении температуры)

; ,

где D T = T – T 0 – изменение температуры жидкости.

Изменение объема при нагревании жидкостей весьма ощутимо, поэтому его необходимо учитывать при проектировании гидравлических устройств, в которых жидкость существенно нагревается.

Капиллярность. На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать объему жидкости сферическую форму, но сила тяжести не позволяет сделать это, если жидкость находится в значительном объеме. Это явление заметно только, когда жидкость рассматривается в объеме капли или находится в тонком капилляре или зазоре. Силы поверхностного натяжения создают в жидкости дополнительное давление

,

где s – коэффициент поверхностного натяжения жидкости;

r 1, r 2 – радиусы кривизны.

В капиллярах и зазорах это давление вызывает подъем или опускание жидкости относительно нормального уровня. Это явление называется капиллярностью. Дополнительное давление направлено всегда к центру кривизны мениска. Если жидкость не смачивает поверхность капилляра, то мениск имеет выпуклую форму, и давление от сил поверхностного натяжения совпадает по направлению с атмосферным давлением – уровень жидкости в капилляре снижается. Если жидкость смачивает поверхность капилляра, то мениск имеет вогнутую форму, и дополнительное давление будет направлено вверх, навстречу атмосферному давлению. Как следствие этого – подъем жидкости по капилляру. Высота подъема (опускания) жидкости в стеклянной трубке вычисляется по формуле:

,

где d – диаметр капилляра;

k – коэффициент, индивидуальный для каждой жидкости.

Например, для воды k = 30 мм2; для спирта k = 11,5 мм2; для ртути k = –10,1 мм2.

В жидкостных приборах для измерения давления применяют трубки диаметром 10 – 12 мм. В этом случае эффект капиллярности мало ощутим. В зазоре один из радиусов кривизны стремится к бесконечности, поэтому и дополнительное давление, и высота отклонения уровня получаются в 2 раза меньше, чем в капилляре.

Вязкость. Вязкость – этосвойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев. При течении жидкости вдоль твердой стенки слои жидкости, прилегающие к ней, тормозятся силами трения между слоями, то есть из-за вязкости (Рис. 1).

Согласно гипотезе Ньютона, подтвержденной экспериментально Н.П. Петровым, касательные напряжения при слоистом течении:

,

где – модуль поперечного градиента скорости,;

Рис. 1. Профиль скоростей при m – коэффициент динамической

течениивязкой жидкости вдоль вязкости.

стенки

Из закона вязкого трения Ньютона следует, что касательные напряжения возможны только в движущейся жидкости. Если имеется градиент скорости еще и в направлении, нормальном плоскости рисунка, то следует записывать в формуле частную производную .

Кроме Па×с используют такую единицу измерения, как Пуаз: 1П = 0,1 Па×с.

Кроме коэффициента динамической вязкости, в технике широко используют коэффициент кинематической вязкости:

.

С ростом температуры вязкость капельных жидкостей очень сильно падает (по экспоненте), а газов – растет по линейному закону. Например, при нагревании пресной воды от 0 до 100°С коэффициент кинематической вязкости падает от 1,79×10-6 до 0,29×10-6 м2/с, то есть 6 с лишним раз. В этом же диапазоне температур вязкость минеральных масел изменяется в десятки и сотни раз. При отрицательных температурах вязкость масел резко возрастает.

Измеряют вязкость специальными приборами, называемыми вискозиметрами. Принцип действия этих приборов состоит в сравнении времени истечения заданного количества испытуемой и эталонной жидкостей через капилляр.

Следует сказать, что существуют жидкости, которые не подчиняются закону вязкого трения Ньютона. В качестве примеров можно назвать глинистые, цементные, известковые и коллоидные растворы, нефтепродукты и смазочные масла при температурах, близких к температуре застывания, краски, клеи, смолы, различные белки, жиры, суспензии крахмала, желатина и т.п. Это так называемые неньютоновские или аномальные жидкости. Для неньютоновских жидкостей зависимость касательных напряжений от поперечного градиента скорости может иметь один из следующих видов:

; .

Испаряемость. Испаряемость присуща всем жидкостям, но в различной степени, причем она сильно зависит от условий, в которых находится жидкость. Одной из характеристик испаряемости является температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Но атмосферное давление – это лишь частный случай давления в гидросистеме, поэтому более полной характеристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паровpн.п.. Чем выше pн.п, тем более летучая жидкость. С ростом температуры оно возрастает, но для разных жидкостей в различной степени. Поэтому даже сухой воздух в квартире зимой при контакте с предметом, занесенным с мороза, при остывании становится влажным, и из него конденсируются капельки воды. Это хорошо знают люди, носящие очки. Образование конденсата можно наблюдать на поверхности труб, по которым подается холодная вода, на оконных стеклах и т.п.

Растворимость газов в жидкостях. Растворимость газов в жидкостях характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости. Эта величина увеличивается с ростом давления и различна для различных жидкостей.

Относительный объем растворенного газа можно подсчитать по закону Генри:

где Vг – объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (p 0, T 0);

k – коэффициент растворимости;

p – давление жидкости.

Например, при t = 20° C имеет следующие значения:

– вода – 0,16;

– минеральные масла» 0,08;

– керосин – 0,127.

урок Свойства гидростатического давления

На внешней поверхности жидкости гидростатическое давление всегда направлено по внутренней нормали, а в любой точке внутри жидкости его величина не зависит от угла наклона площадки, на которой оно действует.

Поверхность, во всех точках которой гидростатическое давление одинаково называется поверхностью равного давления. К таким поверхностям относится и свободная поверхность, т. е. поверхность раздела между жидкостью и газообразной средой.

Давление измеряют с целью непрерывного контроля и своевременного регулирования всех технологических параметров. Для каждого технологического процесса разрабатывается специальная режимная карта. Известны случаи, когда при бесконтрольном повышении давления многотонный барабан энергетического котла улетал, словно футбольный мяч, на несколько десятков метров, разрушая все на своем пути. Снижение давления не несет разрушений, но приводит к:

браку продукции;

перерасходу топлива.