Основные физические свойства жидкостей. Под плотностью жидкости понимают массу жидкости, заключенную в единице объема

Плотность жидкостей

Под плотностью жидкости понимают массу жидкости, заключенную в единице объема.

,

где М - масса жидкости в объеме V.

Согласно принятой гипотезе сплошности масса жидкости распределена в объеме непрерывно и в общем случае неравномерно. Вследствие этого, помимо средней плотности, плотность среды в произвольной точке определится как

.

Предел берется при стягивании объема DV к точке.

Наряду с плотностью широко используется понятие удельного объема, который является величиной, обратной плотности

.

Плотность жидкости меняется с изменением давления и температуры. Эта зависимость существенно различна для капельных жидкостей и газов.

Сжимаемость капельных жидкостей под действием давления характеризуется коэффициентом объемного сжатия bv, который представляет собой относительное изменение объема жидкости на единицу изменения давления

,

где V - первоначальный объем жидкости; DV - изменение этого объема при увеличении давления на Dр.

При увеличении давления происходит уменьшение объема жидкости, чем и объясняется знак минус.

Величина обратная коэффициенту объемного сжатия представляет модуль упругости жидкости

.

Коэффициент bv и, следовательно, Е₀ слабо изменяются при изменении температуры и давления для капельных жидкостей и средние значения для воды составляют соответственно

b_v = 5 × 10^-10 Па^-1; Е₀ = 2 × 10⁹ Па.

Прочность жидкости на разрыв весьма мала в критических расчетах не учитывается.

Температурное расширение капельных жидкостей характеризуется коэффициентом температурного расширения, выражающим относительное увеличение объема жидкости при увеличении температуры на DТ

.

Коэффициент температурного расширения для капельных жидкостей незначителен и для воды и при температуре от 283К до 293К и давлении 0,10 Мпа составляет

b_т = 0,00015 1/К.

С учетом вышеизложенного, изменение плотности жидкости при изменении температуры запишется в виде

.

Для идеальных газов изменение плотности при изменении давления и температуры определится, как

.

Вязкость жидкостей

Свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу называется вязкостью. При движении жидкости происходит относительное перемещение частиц, что приводит к появлению силы трения между ними, причем количественное значение ее пропорционально вязкости жидкости. Рассмотрим движение жидкости вдоль плоской стенки. При ламинарном движении жидкости она движется параллельными слоями, скорость которых, вследствие тормозящего эффекта, уменьшается от максимального значения до нуля по мере приближения к стенке.

Рассматривая два слоя жидкости А и В, расположенных друг от друга на расстоянии Dy, нетрудно видеть, что значение их скоростей отличается на величину Du. Величина Du за единицу времени представляет собой абсолютный сдвиг слоя В по слою А, а отношение Du/Dy представляет градиент скорости или относительный сдвиг. Силу трения на единицу площади, представляющую величину касательного напряжения t, можно определить, как

.

В том случае, если слои будут находиться на бесконечно малом расстоянии друг от друга величина t определится, как

.

Коэффициент m характеризует сопротивляемость жидкости сдвигу и называется абсолютной или динамической вязкостью.

Впервые на существование зависимости между касательным напряжением и градиентом скорости указал Ньютон и поэтому в настоящее время она называется законом трения Ньютона.

Полную силу трения можно определить как

,

где S - площадь трущихся слоев.

В том случае, если градиент скорости отрицателен в записанных выше формулах в правой части ставится знак “-”.

Наряду с коэффициентом динамической вязкости m в гидрогазодинамике широко используют понятие коэффициента кинематической вязкости

.

Название кинематическая она получила вследствие того, что в ее размерности отсутствуют единицы силы. Динамическая вязкость имеет размерность Па×c, а кинематическая вязкость имеет размерность м²/c.

Необходимо отметить, что с увеличением температуры вязкость капельных жидкостей уменьшается, причем весьма значительно, а вязкость газов увеличивается. Это объясняется тем, что с увеличением температуры газа интенсивность теплового движения молекул возрастает, что приводит к увеличению вязкости. В капельных жидкостях молекулы не могут двигаться по разным направлениям, а могут колебаться вокруг своего среднего положения. С увеличением температуры средние скорости колебательных движений молекул увеличиваются, что приводит к ослаблению удерживающих связей и приобретению большей подвижности, а это приводит к уменьшению вязкости. Для чистой пресной воды зависимость динамической вязкости от температуры определяется по формуле Пуазейля:

.

С увеличением температуры от 0 до 100оС динамическая вязкость воды уменьшается почти в 7 раз. Вода принадлежит к наименее вязким жидкостям. Наименьшую вязкость имеет жидкая углекислота (в 50 раз меньше вязкости воды).

Для вязкости воздуха можно воспользоваться формулой

m = (1700 + 5,8t - 0,0117t²) × 10^-8.

Аномальные жидкости.

К жидкостям, не подчиняющимся закону вязкости Ньютона, так называемым “неньютоновским” (или аномальным, реологическим) жидкостям, можно отнести, например, литой бетон, глинистый раствор, употребляемый при бурении скважин, нефтепродукты при температуре, близкой к температуре застывания, коллоиды и др.

Опытами установлено, что движение неньютоновских жидкостей начинается только после того, как касательные напряжения достигнут некоторого предельного минимального значения (так называемое начальное напряжение сдвига); при меньших напряжениях эти жидкости не текут, а испытывают только упругие деформации.

В аномальных жидкостях касательное напряжение определяется по формуле Бингема

где t₀ - начальное напряжение сдвига.

Таким образом, в аномальных жидкостях сила трения возникает еще в покоящихся жидкостях, но при стремлении этих жидкостей прийти в движение.

Поведение различных аномальных жидкостей под нагрузкой и их динамические свойства излагаются в реологии.

Поверхностное натяжение

При контакте капельной жидкости с другой капельной жидкостью, газом или твердым телом молекулы жидкости, находящиеся на поверхности находятся в условиях, которые отличаются от условий в которых находятся молекулы внутри жидкости, т.к. последних окружают молекулы со всех сторон. Вследствие этого, энергия поверхностных молекул отличается от энергии молекул в объеме жидкости на величину, называемую поверхностной энергией. Эта энергия пропорциональна площади поверхности раздела S

Э_n = sS,

где s - коэффициент поверхностного натяжения, зависящий от природы соприкасающихся сред.

Коэффициент поверхностного натяжения можно представить в виде

s = F/ l,

где F - сила поверхностного натяжения;

l - длина линии, ограничивающей поверхность раздела.

Поверхностное натяжение жидкости чувствительно к ее чистоте и температуре. При увеличении температуры поверхностное натяжение жидкости уменьшается, а в критической точке, где отсутствует различие между паром и жидкостью равно 0. Вещества способствующие повышению поверхностного натяжения называются поверхностно-активные вещества (ПВА).

Смачивающая способность жидкости на границе раздела трех фаз: жидкой, твердой и газообразной, определяется величиной краевого угла q. Величина краевого угла зависит от природы соприкасающихся сред и не зависит от формы поверхности и силы тяжести. В том случае, если краевой угол q > 90^о, жидкость считается несмачивающей. Если q < 90^о жидкость считается смачивающей.