Фізичні властивості рідин

Густина. Щільність - це маса рідини, укладена в одиниці об'єму. У Міжнародній системі одиниць (СІ) вона вимірюється в кг / м3. Для однорідної рідини

Якщо рідина неоднорідна в обсязі V. то ця формула дозволяє обчислити лише середнє значення щільності, а справжня щільність в будь-якій точці може бути визначена як

Значення щільності рідин зростають при підвищенні тиску. Наприклад, щільність води при температурі 0 ° С змінюється з ростом тиску (від 0,1 до 400 МПа) від 999 до 1146 кг / м3. З ростом температури щільність рідин знижується. Винятком з цього правила є тільки вода в діапазоні температур від 0 до 4 ° С: її щільність зростає і досягає свого максимуму (1000 кг / м3) при t = 3,98 ° С. При подальшому нагріванні її щільність знижується як і у інших рідин. Саме з цієї причини температура води на дні глибоких водойм взимку завжди 4 ° С. При охолодженні води до 4 ° С циркуляція води в водоймі припиняється, що перешкоджає промерзання його до дна.

Значення щільності деяких широко поширених рідин при нормальних умовах (t = 20 ° С, p = 0,1 МПа):

* Ртуть - 13 546 кг / м3;

* Нафту натуральна - 760 - 900 кг / м3;

* Масла мінеральні - 850 - 930 кг / м3;

* Бензин - 712 - 780 кг / м3.

Питома обсяг. Питома обсяг - це обсяг рідини одиничної маси, тобто величина, зворотна щільності:

Так уже склалося історично, що ця характеристика рідко використовується для крапельних рідин, але дуже широко застосовується для газів.

Питома вага. Питома вага - це вага рідини одиничного обсягу:

Відносна густина. Відносна щільність - це відношення щільності рідини до щільності дистильованої води при 4 ° С:

Так як rводи + 4 = 1000 кг / м3, то обчислювати відносні щільності дуже просто.

Всі зазначені характеристики рідин практично характеризують один і той же властивість.

Щільність рідини можна обчислити за вищенаведеними формулами, а можна і виміряти спеціальним приладом, званим ареометром. Цей прилад схожий на поплавок для риболовлі. Глибина його занурення залежить від щільності рідини.

Стисливість. Стисливість - це властивість рідини змінювати свій об'єм під дією тиску. Стисливість характеризується двома величинами: коефіцієнтом об'ємного стиснення bp і об'ємним модулем пружності K.

Коефіцієнт об'ємного стиснення - це відносна зміна обсягу рідини, що припадає на одиницю тиску

Знак "мінус" в цьому виразі введено для того, щоб цей коефіцієнт мав позитивні значення, так як похідна завжди негативна.

Якщо прийняти, що, то можна наближено розрахувати обсяг і щільність рідини при зміні тиску:

де V 0, r0 - обсяг і щільність рідини при тиску p 0;

Dp = p - p 0 - зміна тиску.

Величина, зворотна коефіцієнту об'ємного стиснення, називається об'ємним модулем пружності

Об'ємний модуль пружності дещо зростає при підвищенні тиску і трохи знижується при зростанні температури. Оцінимо стисливість крапельних рідин. При атмосферному тиску для мінеральних масел K »1320 - 1720 МПа. При підвищенні тиску на 10 МПа (приблизно 100 ат) зміна обсягу мінерального масла складе приблизно

тобто зміна обсягу рідини при настільки істотну зміну тиску склало 0,67%. З цієї причини в гідравліки дуже часто рідина вважають нестисливої.

Температурне розширення. Температурне розширення - це властивість рідини змінювати свій об'єм при зміні температури. Характеризується коефіцієнтом температурного розширення bT. який являє собою відносну зміну обсягу, що припадає на 1 градус:

Для води коефіцієнт при збільшенні температури зростає (при p = 0,1 МПа і зміні температури від 0 до 100 ° С приблизно від - 0,000025 до +0,000720). Зростання тиску при низьких температурах призводить до збільшення, а при температурах вище 50 ° С - до його зниження. Для більшості інших крапельних рідин з ростом тиску зменшується.

У кінцевій формі при bT = const (при малій зміні температури)

; ,

де DT = T - T 0 - зміна температури рідини.

Зміна обсягу при нагріванні рідин досить відчутно, тому його необхідно враховувати при проектуванні гідравлічних пристроїв, в яких рідина істотно нагрівається.

Капілярність. На поверхні розділу рідини і газу діють сили поверхневого натягу, які прагнуть надати об'єму рідини сферичну форму, але сила тяжіння не дозволяє зробити це, якщо рідина знаходиться в значному обсязі. Це явище помітно тільки, коли рідина розглядається в обсязі краплі або знаходиться в тонкому капілярі або зазорі. Сили поверхневого натягу створюють в рідині додатковий тиск

де s - коефіцієнт поверхневого натягу рідини;

r 1, r 2 - радіуси кривизни.

У капілярах і зазорах це тиск викликає підйом або опускання рідини щодо нормального рівня. Це явище називається капиллярностью. Додатковий тиск направлено завжди до центру кривизни меніска. Якщо рідина не змочує поверхню капіляра, то меніск має опуклу форму, і тиск від сил поверхневого натягу збігається за напрямком з атмосферним тиском - рівень рідини в капілярі знижується. Якщо рідина змочує поверхню капіляра, то меніск має увігнуту форму, і додатковий тиск буде направлено вгору, назустріч атмосферному тиску. Як наслідок цього - підйом рідини з капіляри. Висота підйому (опускання) рідини в скляній трубці обчислюється за формулою:

де d - діаметр капіляра;

k - коефіцієнт, індивідуальний для кожної рідини.

Наприклад, для води k = 30 мм 2; для спирту k = 11,5 мм 2; для ртуті k = -10,1 мм 2.

У рідинних приладах для вимірювання тиску застосовують трубки діаметром 10 - 12 мм. В цьому випадку ефект капілярності мало відчутний. У зазорі один з радіусів кривизни прямує до нескінченності, тому і додатковий тиск, і висота відхилення рівня виходять в 2 рази менше, ніж в капілярі.

В'язкість. В'язкість - це властивість рідини чинити опір зсуву її шарів. При перебігу рідини уздовж твердої стінки шари рідини, прилеглі до неї, гальмуються силами тертя між шарами, тобто через в'язкості (Рис. 1).

Відповідно до гіпотези Ньютона, підтвердженої експериментально Н.П. Петровим, дотичні напруження при шаруватому плині:

де - модуль поперечного градієнта швидкості,;

Мал. 1. Профіль швидкостей при m - коефіцієнт динамічної

Протягом в'язкої рідини уздовж в'язкості.

Із закону в'язкого тертя Ньютона випливає, що дотичні напруження можливі тільки в рухомої рідини. Якщо є градієнт швидкості ще й в напрямку, нормальному площині малюнка, то слід записувати у формулі приватну похідну.

Крім Па × с використовують таку одиницю виміру, як Пуаз: 1П = 0,1 Па × с.

Крім коефіцієнта динамічної в'язкості, в техніці широко використовують коефіцієнт кінематичної в'язкості:

У старій літературі можна зустріти такі одиниці виміру, як Стокс: 1 Ст = 1 см2 / с = 10-4 м2 / с.

Іноді в назвах m і n слово "коефіцієнт" для стислості опускають, хоча, в принципі, цього робити не слід.

З ростом температури в'язкість крапельних рідин дуже сильно падає (по експоненті), а газів - зростає за лінійним законом. Наприклад, при нагріванні прісної води від 0 до 100 ° С коефіцієнт кінематичної в'язкості падає від 1,79 × 10-6 до 0,29 × 10-6 м2 / с, тобто 6 з гаком разів. У цьому ж діапазоні температур в'язкість мінеральних масел змінюється в десятки і сотні разів. При негативних температурах в'язкість масел різко зростає.

Вимірюють в'язкість спеціальними приладами, званими вискозиметрами. Принцип дії цих приладів складається в порівнянні часу закінчення заданого кількості випробуваної і еталонної рідин через капіляр.

Слід сказати, що існують рідини, які не підкоряються закону в'язкого тертя Ньютона. Як приклади можна назвати глинисті, цементні, вапняні і колоїдні розчини, нафтопродукти і мастила при температурах, близьких до температури застигання, фарби, клеї, смоли, різні білки, жири, суспензії крохмалю, желатину і т.п. Це так звані неньютонівські або аномальні рідини. Для неньютоновскіх рідин залежність дотичних напружень від поперечного градієнта швидкості може мати один з наступних видів:

; .

Испаряемость. Испаряемость властива всім рідин, але в різному ступені, причому вона сильно залежить від умов, в яких знаходиться рідина. Однією з характеристик випаровуваності є температура кипіння при нормальному атмосферному тиску. Але атмосферний тиск - це лише окремий випадок тиску в гідросистемі, тому більш повною характеристикою випаровуваності є тиск (пружність) насичених паровpн.п .. Чим вище pн.п. тим більше летюча рідина. З ростом температури воно зростає, але для різних рідин в різного ступеня. Тому навіть сухе повітря в квартирі взимку при контакті з предметом, занесеним з морозу, при охолодженні стає вологим, і з нього конденсуються крапельки води. Це добре знають люди, що носять окуляри. Утворення конденсату можна спостерігати на поверхні труб, по яких подається холодна вода, на шибках і т.п.

Для багатокомпонентних рідин (сумішей) тиск насичених парів залежить ще і від співвідношення обсягів парової і рідкої фаз. Для них тиск насичених парів тим більше, чим більша частка обсягу зайнята рідиною. У довідниках для них наводяться значення pн.п. при співвідношенні обсягів парової і рідкої фаз 4: 1.

Розчинність газів в рідинах. Розчинність газів в рідинах характеризується кількістю розчиненого газу в одиниці об'єму рідини. Ця величина збільшується з ростом тиску і різна для різних рідин.

Відносний обсяг розчиненого газу можна підрахувати по закону Генрі:

де Vг - обсяг розчиненого газу, приведений до нормальних умов (p 0, T 0);

k - коефіцієнт розчинності;

p - тиск рідини.

Наприклад, при t = 20 ° C має наступні значення:

- мінеральні масла »0,08;

При збільшенні щільності і в'язкості мінерального масла розчинність газів трохи знижується. Зі збільшенням температури коефіцієнт розчинності майже не змінюється, але враховувати це малий вплив треба, коли рідина працює в широкому температурному діапазоні: насичена газом рідина при одній температурі може почати виділяти розчинений газ при іншій температурі, що призведе до утворення піни, яка порушує суцільність середовища і може викликати відмову приводу.

У звичайному стані мінеральне масло насичується повітрям протягом декількох годин, але якщо масло збовтувати в баку, утворюється піна. Площа зіткнення рідини і повітря зростає в багато разів. Це може викликати насичення рідини газом протягом декількох хвилин.

При зменшенні тиску гази з насиченою рідини починають виділятися, причому роблять це значно швидше, ніж розчиняються в ній. Виділитися газ може в лічені секунди або навіть частки секунди.