Основные физические свойства жидкостей и газов

Основные физические свойства жидкостей и газов

1.1. Характеристика жидкостей и газов

Жидкостью называется физическое тело, обладающее легкой подвижностью частиц, то есть текучестью.

Жидкости с точки зрения физико-механических свойств разделяются на два класса - капельные жидкости (или малосжимаемые) и газы (или сжимаемые жидкости). Жидкость рассматривается в гидравлике обычно как сплошная (непрерывная), однородная и изотропная среда, обладающая одинаковыми свойствами во всех точках и по всем направлениям.

Основными физическими свойствами жидкости и газов, базируясь на которых в гидравлике устанавливаются общие законы ее равновесия и движения, являются:

1) текучесть, 2) весомость, 3) изменяемость объема и 4) вязкость.

Рекомендуемые материалы

1.2. Текучесть

Текучестью называется неспособность жидкости сопротивляться внутренним сдвигающим усилиям, вызванным сколь угодно малыми силами.

Свойство текучести выражает физически главное отличие жидкого тела от твердого тела.

Вследствие текучести, жидкость, находясь в покое, растекается под действием собственного веса и принимает форму того сосуда, в котором находится. Растекаясь в сосуде и занимая часть его объема, жидкость всегда образуют свободную поверхность.

Газы, растекаясь, всегда занимают весь объем сосуда и не образуют свободной поверхности.

1.3. Удельный вес и плотность

Удельным весом g называется вес единицы объема жидкости, который определяется по формуле

,                                                      (1.1)

где: G – вес жидкости в объеме W.

Удельный вес - величина размерная. Его размерность

Плотностью r называется масса, заключенная в единице объема жидкости, которая определяется по формуле

                                                        (1.2)

где: М - масса жидкости, заключенная в объеме  W.

Размерность плотности:

в системе СИ

Зависимость между удельным весом и плотностью жидкости легко получить,    помня, что по второму закону Ньютона

G = Mg.

 Разделив обе части уравнения на объем  W, получим

g = r g .                                                           (1.3)

1.3. Изменяемость объема жидкостей и газов под действием температуры и давления

Изменяемость объема от давления и температуры для капельных жидкостей.

Свойство жидкости изменять объем под действием давления называется сжимаемостью и характеризует упругость жидкости.

Изменение объема жидкости   при изменении давления на р (рис. 1.1)

                                            (1.4)

Величина  , характеризующая изменение объема жидкости при изменении давления, отрицательна, так как при сжатии жидкости положительному приращению давления соответствует отрицательное приращение объема.

Сжимаемость жидкости оценивается коэффициентом объемного сжатия  b_w

  соответственно         (1.5)

где:  W₀   -  начальный объем жидкости; ΔW - изменение объема при изменении давления на  Δp.

Коэффициент объемного сжатия b_w представляет собой относительное уменьшение объема жидкости (по отношению к начальному объему) при увеличении давления на единицу и имеет размерность обратную размерности давления

                                                        Рис. 1.1

Величина обратная коэффициенту объемного сжатия является модулем упругости жидкости при всестороннем сжатии

                                             (1.6)

Капельные жидкости, как и твердые тела, представляют собой малосжимаемую, малоупругую среду (модуль упругости воды E=2,1.10³ кгс/см², стали E=2.10⁶ кгс/см²). В связи с этим при решении очень многих практических задач гидравлики сжимаемостью жидкости можно пренебречь, полагая, что жидкость не изменяет своего объема при изменении давления (b_w=0), а, следовательно, ее удельный вес и плотность остаются постоянными:  g=const и r=сonst.

В отдельных случаях сжимаемость должна учитываться, например, при гидравлическом ударе, связанном с упругими колебаниями жидкости.

Температурное расширение - изменение объема жидкости при увеличении температуры при Р = const.

Изменение объема жидкости   при изменении температуры на  равно

                                             (1.7)

Изменение объема жидкости при изменении температуры характеризуется коэффициентом объемного (температурного) расширения  b_t.

  соответственно         (1.8)

где:    W   -  начальный объем жидкости;

          dW - изменение объема при изменении температуры на Δt.

Величина b_t выражает относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу и имеет размерность

Объем жидкости с увеличением температуры увеличивается. Однако это увеличение незначительно. Например, у воды при изменении температуры от 0 до 100°С при давлениях от I  до 100 ат величина b_t изменяется в пределах

,

т.е.достигает максимум 0,07 % при увеличении температуры на 1°С, Поэтому при решении многих практических задач влиянием изменения объема жидкости при изменении температуры на величину ее удельного веса и плотности можно пренебречь, полагая  b_t  = 0,  а, следовательно, g = const  и  r = const . Однако, следует учитывать, что увеличение объема жидкости при повышении температуры может вызвать опасные последствия, например, разрушение гидравлической системы, в которой заперты без возможности расширения значительные объемы жидкости и т.п.

Изменяемость объема от давления и температуры для газов.

В отличие от капельных жидкостей газы характери­зуются значительной сжимаемостью и высокими значе­ниями коэффициента температурного расширения.

Характерной особенностью изучения сжимаемых жидкостей является необходимость учитывать соотношение между давлением p, плотностью (удельным   весом) g=gr, удельным объемом  и температурой T°К (Кельвина).

Это соотношение, устанавливающее зависимость между физическими величинами, определяющими состояние газа (давлением газа р, его объёмом V и абсолютной температурой Т) называется уравнением состояния.

Для идеального газа уравнение состояния (уравнение Клапейрона - Менделеева) записывается в следующем виде:

или  (1.9)

 где:  R = 29,27 м/°К – универсальная газовая постоянная;

          g = 9,81 м/c² - ускорение силы тяжести.

Газовая постоянная имеет физический смысл работы расширения 1 моля (моль -  число граммов химического вещества, равное его молекулярной массе) идеального газа под постоянным давлением при нагревании на 1°. Газовая постоянная обычно численно выражается в следующих единицах: 8,3143 ± 0,0012 дж/град-моль, 8,314-10⁷ эрг/град-моль, 1,986 кал/град-моль, 82,05-10^-3 л·атм/град-моль.

Универсальная газовая постоянная, отнесённая не к 1 молю, а к 1 молекуле, называется постоянной Больцмана. Постоянная Больцмана - одна из основных физических постоянных, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N_A

k = R/N_A (k = (1,38054±0,00018)´10^-23дж/К).

(Число Авогадро - число молекул в 1 моле любого вещества, оно одинаково и равно 6,02252^.10²³. Моль любых веществ, находящихся в состоянии идеального газа, при нормальных условиях [0°С и давлении 101325 н/м² (760 мм. рт. ст.)] занимают приблизительно один и тот же объём, равный 22,4 л).

Для газа, имеющего общую массу М и молекулярную массу μ, уравнение состояния записывается в виде

 или pV=NkT, (1.10)

где N - число частиц газа, k - Больцмана постоянная.

Уравнение состояния представляет собой уравнение состояния идеального газа, которое объединяет Бойля - Мариотта закон (зависимость между р и V при Т = const), Гей-Люссака закон (зависимость V от Т при р = const) и Авогадро закон (согласно этому закону, газы при одинаковых значениях р, V и Т содержат одинаковое число молекул N).

Уравнение Клапейрона - наиболее простое уравнение состояния, применимое с определённой степенью точности к реальным газам при низких давлениях и высоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и др.), когда они близки по своим свойствам к идеальному газу.

Наиболее простыми свойствами обладает газ, разре­женный настолько, что взаимодействие между его мо­лекулами может не учитываться, так называемый совер­шенный (идеальный) газ. Для совершенных газов спра­ведливо уравнение Клапейрона, позволяющее определять плотность газа при известных давлении и температуре, т. е.

                  (1.11)

где р - абсолютное давление; R - удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящая от температуры и дав­ления [для воздуха R=287 Дж/(кг ^. К)]; Т -  абсолютная темпера­тура.

Поведение реальных газов в условиях, далеких от сжижения, незначительно отличается от поведения со­вершенных газов, и для них в широких пределах можно пользоваться уравнениями состояния совершенных га­зов.

В технических расчетах плотность газа обычно при­водят к нормальным физическим условиям (t=0°С; Р=101325 Па) или к стандартным условиям (t=20°С; р=101325 Па).

Плотность воздуха при R=287 Дж/(кг ^. К) в стан­дартных условиях по формуле (1.11) будет

При других условиях плотность воздуха определяется по формуле

(1.12)

Для изотермического процесса (T=const) из форму­лы (2.10) имеем

p/ρ= const,                                            (1.13)

а для адиабатического процесса

р/ρ^k = const,                                          (1.14)

где k = c_p/c_v - адиабатическая постоянная газа (здесь с_p - тепло­емкость газа при постоянном давлении; с_v - то же, при постоянном объеме).

Сжимаемость газов зависит от характера процесса изменения состояния:

для изотермического процесса

E₀=p.                                                     (1.15)

а для адиабатического

Е₀ = kp.                                                 (1.16)

Из выражения (19) следует, что изотермическая сжимаемость для атмосферного воздуха составляет ~9,8-10⁴Па, что примерно в 20 тыс. раз превышает сжимаемость воды.

Сжимаемость сплошной среды можно также характеризовать отношением приращения давления  dp  к приращению ее плотности  dr. Характеристикой, определяющей зависимость изменения плотности газа при изменении давления в движущемся потоке, явля­ется скорость распространения звука а.

В однородной среде ско­рость распространения звуковых колебаний, как отмечено выше, определяется из выра­жения.

а²= dp/dρ.                                             (1.17)

С учетом соотношений (8) и (9) из выражения (21) находим скорость звука в виде зависимости

       (1.18)

Для адиабатического процесса из выражений (18) и (14) сле­дует: dp/dρ=kр/ρ=kRT, откуда для газов

                                            (1.19)

Скорость распространения звука (при t=20°С) в воздухе со­ставляет 330 м/с, в углекислом газе - 261 м/с, в воде - 1480 м/с.

Поскольку объем газа в большой мере зависит от температуры и давления, выводы, полученные при изуче­нии капельных жидкостей, можно распространять на га­зы лишь в том случае, если в пределах рассматриваемо­го явления изменение давления и температуры невелико.

Значительные разности давлений, вызывающие сущест­венное изменение плотности газов, могут возникнуть при движении газов с большими скоростями. Соотноше­ние между скоростью движения жидкости и скоростью звука в ней позволяет судить о необходимости учета сжимаемости в каждом конкретном случае. Практически газ можно принимать несжимаемым при скоростях движения, не превышающих 100 м/с.

1.4. Вязкость жидкостей и газов

Вязкостью называется способность движущейся жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидкости. Это свойство противоположно текучести и является причиной возникновения в движущейся жидкости сил трения между ее частицами и между жидкостью и твердым телом (например, жидкостью и стенками трубы, русла, корпусом плавающего тела).

Таким образом, вязкость харак­теризует степень текучести жидкости или подвижности ее частиц.

Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки парал­лельными ей слоями (рис. 1.2), как это наблюдается при ламинарном движении.

Вследствие тормозящего влия­ния стенки слои жидкости будут двигаться с разными скоростями, значения которых возрастают по мере отда­ления от стенки. Рассмотрим два слоя жидкости, дви­жущиеся на расстоянии Δу друг от друга. Слой А дви­жется со скоростью и, а слой В со скоростью и+Δи. Вследствие разности скоростей слой В сдвигается отно­сительно слоя А на величину Δи (за единицу времени). Величина Δи является абсолютным сдвигом слоя А по слою В, а Δи/Δy есть градиент скорости (относительный сдвиг). При этом движении появляется касательное напряжение τ (сила трения на единицу площади).

Рис. 1.2. Распределение скоростей при тече­нии жидкости вдоль плоской стенки

На существование касательного напряжения первое указание имеется у Ньютона (1686 г.), и потому оно называется законом вязкостного трения Ньютона.

Согласно гипотезе Ньютона закон о трении в движущейся жидкости выражается зависимостью

                                                (1.22)

где: T – сила трения;

        S – площадь поверхности соприкосновения между собой слоев движущейся жидкости;

 - производная скорости u по нормали к направлению движения (градиент скорости);

 - динамический коэффициент вязкости, количественно характеризующий вязкость жидкости.                                            

Таким образом, сила внутреннего трения в жидкости прямо пропорциональна градиенту скорости du/dn, пло­щади трущихся слоев S и динамической вязкости μ.

Тем самым трение в жидкости отличается от трения в твер­дых телах, где сила трения зависит от нормального дав­ления и не зависит от площади трущихся поверхностей T_сух = fP, где P – сила давления; f – коэффициент трения. В жидкости сила трения не зависит от давления (см. формулу 1.22). Указанное свойство имеет огромное значение в технике. Вводя жидкость – смазку между трущимися парами, которые в машинах могут соприкасаться, оказывая друг на друга большое давление, заменяют сухое трение трением в жидкости. При этом силы трения уменьшаются, перестают зависеть от давления, значительно снижаются затраты мощности на преодоление сил трения и уменьшается нагрев и износ трущихся поверхностей.

 Из приведенного закона вытекает, что если жидкость находится в покое (), то и градиент скорости  , и сила трения . Т.о. в покоящейся жидкости силы трения не возникают, свойство вязкости жидкости не проявляется.

Если разделить выражение (1.22) на S, т.е. отнести силу трения к единице площади (S = 1), получим

                                          (1.23)

где: τ- касательное напряжение в движущейся жидкости (н/м²  , кгс/см² ).               

Если при S=1 принять также , то получим

                                                 (1.24)

т.е. динамический коэффициент вязкости есть удельная сила трения при градиенте скорости равном единице.

В системе СИ динамический коэффициент вязкости имеет размерность:

 .                                                                            

В системе МКГСС

.

На практике динамический коэффициент вязкости часто выражают в единицах физической системы единиц СГС – в пуазах

          

1 пуаз соответствует вязкости, при которой между слоями жидкости, движущимися один относительно другого с градиентом скорости, составляющим 1 см/с на расстоянии 1 см по нормали к направлению движения, на площади 1 см²  развивается сила трения равная 1 дине.

В гидравлике для характеристики вязкости жидкости чаще применяется кинематический коэффициент вязкости n, равный отношению динамического коэффициента вязкости к плотности жидкости:

                                                    (1.25)

Он имеет размерность

В размерность кинематического коэффициента вязкости не входят единицы силы и массы. Его размерность определяется только кинематическими единицами (длиной и временем). Поэтому коэффициент n называется кинематическим. Он имеет одинаковую размерность во всех системах единиц механических величин.

На практике в качестве единицы измерения кинематического коэффициента вязкости часто применяют стокс:

Для разных жидкостей вязкость изменяется в очень широких пределах. Например, при    температуре    20°С    коэффициент   кинематической   вязкости   воды  равен  n @ 0,01 см²/с = 1 сантистокс (сст), мазута n @ 25 см²/с, т.е. примерно в 2500 раз больше.

На практике вязкость жидкостей оценивается также в условных единицах (градусах Энглера и др.).

Для определения вязкости применяются специальные приборы – вискозиметры. При этом используются закономерности процессов, в которых вязкость играет существенную роль, в частности:

- закон Стокса (сила сопротивления F движению шарика радиуса r, движущегося со скоростью v

F = 6∙p∙m∙r∙v;

-   закон Пуазейля (расход жидкости Q при истечении через трубку длиной l, диаметром d при избыточном давлении p-p₀ :

   При измерении вязкости вискозиметром Энглера сравнивают время t₁ истечения через калиброванное отверстие 200 см³ исследуемой жидкости, имеющей заданную температуру t °С, и время истечения t₂ 200 см³  дистиллированной воды при t=20°C:

1 градус Энглера

Перевести градусы Энглера в см²/с (стоксы) можно по эмпирической формуле:

Зависимость вязкости от температуры и давления.

 Вязкость жидкостей в большой степени зависит от температуры, при этом вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, а вязкость газов возрастает.

Так, для чистой пресной воды зависи­мость динамической вязкости от температуры опре­деляется по формуле Пуазейля

С увеличением температуры от 0 до 100°С вязкость воды уменьшается почти в 7 раз. При тем­пературе 20°С динамическая вязкость воды равна 0,001 Па ^. с = 0,01 П.

Вода принадлежит к наименее вязким жидкостям. Лишь немногие из практически используемых жидкостей (например, эфир и спирт) обладают несколько меньшей вязкостью, чем вода. Наименьшую вязкость имеет жид­кая углекислота (в 50 раз меньше вязкости воды). Все жидкие масла обладают   значительно   более   высокой вязкостью, чем вода (касторовое масло при температуре 20°С имеет вязкость, в 1000 раз большую, чем вода при той же температуре).

При давлениях, встречающихся в большинстве случа­ев на практике (до 2-10⁷ Па = 200 ат), кинематическая вязкость капельных жидкостей весьма мало зависит от давления, и этим изменением в обычных гидравлических расчетах пренебрегают.

Для определения динамической вязкости воздуха применяется формула Милликена

что дает μ=1,82-10^-5 Па ^. с при t=15°C.

Динамическая вязкость других газов имеет примерно такой же порядок величин.

Кинематическая вязкость газов зависит как от температуры, так и от давления, возра­стая с увеличением температуры и уменьшаясь с увели­чением давления.

 Кинематическая вязкость воз­духа для нормальных условий (температура 20°С, давление ~ 1 ^. 10⁵ Па = 1 ат)

ν=1,57 ^. 10^-5 м²/с,

т е примерно в 15 раз больше, чем для воды при той же температуре. Это объясняется тем, что в знаменатель выражения для кинематической вязкости входит плотность, которая у газов значительно меньше, чем у капельных жидкостей.

1.5. Другие свойства жидкостей

Поверхностное натяжение.

Молекула жидкости, расположенная на поверхности, находится в симметричном силовом состоянии, часть силового поля ее вынуждена взаимодействовать с молекулами, находящимися под поверхностью. В результате этого потенциальная энергия связи в поверхностном слое увеличивается, а сам слой находится в более напряженном состоянии. Это явление называют поверхностным натяжением.

Силы поверхностного натяжения направлены всегда внутрь рассматриваемого объема перпендикулярно свободной поверхности жидкости (рис. 1.4). Силы поверхностного натяжения стремятся придать каплевидную (сферическую) форму жидкости.

Рис. 1.4. Силы поверхностного натяжения

Коэффициент поверхностного натяжения σ равен силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины контура,

[σ] = 1 Н/м.

Молекулы поверхностного слоя жидкости обладают дополнительной потенциальной энергией по сравнению с молекулами, находящимися внутри жидкости.

Коэффициент поверхностного натяжения равен потенциальной энергии, которой обладает единичная площадь поверхности жидкости

[σ] = 1 Дж/м².

Поверхностное натяжение определяется видом жидкости и газа над ее свободной поверхностью, примесями и температурой.

Зависимость коэффициента поверхностного натяжения  s  от  температуры T⁰С для воды,  соприкасающейся с воздухом, имеет вид

s=10^-3(76-0,15T).                                                    

Смачивающая способность.

За счет сил поверхностного натяжения жидкость может растекаться по поверхности другой жидкости или твердого тела (смачивание) или не растекаться (не смачивание).

Жидкости, которые хорошо смачивают твердое тело, называются гидрофильными, плохо смачиваемые - гидрофобными.

Явление смачивания приводит к поднятию (или опусканию) жидкости в капиллярах (рис. 1.5).

Рис. 1.6. Явление смачивания

а - смачивание (вода и стекло); б - не смачивание (ртуть и стекло)

Высота поднятия жидкости в капиллярах определяется формулой Лапласа

где R - радиус капилляра; ρ – плотность жидкости; g – ускорение свободного падения; s - сила поверхностного натяжения; g - удельный вес жидкости;  d - диаметр трубки.

Движение жидкости по капиллярам и узким щелям имеет существенное значение в неживой и живой природе, а также в технических процессах.

Пенообразование.

Выделение воздуха из рабочей жидкости при падении давления может вызвать пенообразование.

На интенсивность пенообразования оказывает влияние содержащаяся в рабочей жидкости вода: даже при ничтожном количестве воды (менее 0,1% по массе рабочей жидкости) возникает устойчивая пена.

Образование и стойкость пены зависят от типа рабочей жидкости, от ее температуры и размеров пузырьков, от материалов и покрытий гидроаппаратуры. Особенно интенсивно пенообразование происходит в загрязненных жидкостях. При температуре жидкости более 70^оС происходит быстрый спад пены.

Химическая и механическая стойкость.

Характеризует способность жидкости сохранять свои первоначальные физические свойства при эксплуатации и хранении.

Окисление жидкости сопровождается выпадением из нее смол и шлаков, которые откладываются на поверхности элементов гидропривода в виде твердого налета. Снижается вязкость и изменяется цвет жидкости. Продукты окисления вызывают коррозию металлов и уменьшают надежность работы гидроаппаратуры. Налет вызывает заклинивание подвижных соединений, плунжерных пар, дросселирующих отверстий, разрушение уплотнений и разгерметизацию гидросистемы.

Совместимость.

Совместимость рабочих жидкостей с конструкционными материалами и особенно с материалами уплотнений имеет очень большое значение. Рабочие жидкости на нефтяной основе совместимы со всеми металлами, применяемыми в гидромашиностроении, и плохо совместимы с уплотнениями, изготовленными из синтетической резины и из кожи. Синтетические рабочие жидкости плохо совмещаются с некоторыми конструкционными материалами и не совместимы с уплотнениями из маслостойкой резины.

Испаряемость жидкости.

Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых она находится: от температуры, от площади испарения, от давления, и от скорости движения газообразной среды над свободной поверхностью жидкости (от ветра).

При повышении температуры жидкости и, в некоторых случаях, при снижении давления часть массы капельной жидкости постепенно переходит в газообраз­ное состояние (пар). Интенсивность процесса парообразования зависит от температуры кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении: чем выше температура кипе­ния жидкости, тем меньше её испаряемость. Однако, более полной характеристикой испа­ряемости следует считать давление (упругость) насыщенных паров, данное в функции температуры. Чем больше насыщенность паров при данной температуре, тем больше ис­паряемость жидкости.

Растворимость газов в жидкостях.

Растворимость газов в жидкостях характеризуется объемом растворенного газа в единице объема жидкости и определяется по закону Генри:

где V_Г - объем растворенного газа; V_Ж - объем жидкости; k - коэффициент растворимости; Р - давление; Р_а - атмосферное давление.

Коэффициент k имеет следующие значения при 20 С: для воды 0,016, керосина 0,13, минеральных масел 0,08, жидкости АМГ-10 - 0,1. При понижении давления выделяется растворимый в жидкости газ. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.

Количество газа растворимого в единице объёма жидкости пропорцио­нально давлению. Поэтому другой характеристикой процесса растворения газа в жидкости является давление насы­щения p_нас, это такое минимальное давление в жидкости, при котором достигается насы­щение капельной жидкости газом. При увеличении давления до давления насыщения величина растворимости газа снижается

 

1.5. Свойства многофазных систем и аномальных жидкостей

Многофазные системы.

Системы, состоящие из нескольких фаз, называются много­фазными (полифазными). Простейшим случаем многофазной систе­мы являются двухфазные системы. Например: газ - твердые части­цы (пневмотранспорт, пылеулавливание); газ - капли жидкости (распылители, сушилки, газовое охлаждение, испарение); жидкость - пузырьки пара (испарители, эрлифты).

Во всех этих примерах первая из указанных фаз (основная) условно называется непрерывной, вторая - дискретной. При некото­рых условиях многофазные системы могут переходить в однородные (гомогенные) и наоборот. Например, в воде при обычных условиях находится растворенный воздух. При снижении давления и повыше­нии температуры воздух начинает выделяться, образуя воздушные пузыри значительных размеров, иными словами, наблюдается пере­вод однофазной системы (вода) к двухфазной (вода + газ).

Количество дискретной фазы в непрерывной определяется объмной концентрацией. Обычно за объемную концентрацию β принимается отношение объема, занятого дискретной   фазой, к общему объему многофазной системы

                               (36)

где W₂ и W₁ - объемы дискретной и непрерывной фаз в многофаз­ной системе.

Среднюю плотность .многофазной системы можно представить в следующем виде:

                            (37)

где ρ₂ и ρ₁ - плотности соответственно дискретной и непрерывной фаз.

Аномальные жидкости.

Трение в некоторых жидкостях не подчиняется зако­ну вязкости Ньютона. К этим, так называемым не­ньютоновским (или аномальным), жидкостям можно от­нести, например, литой бетон, строительный раствор, глинистый раствор, нефтепродукты при температуре, близкой к темпе­ратуре застывания, коллоидные растворы и др.

Чтобы привести такие жидкости в движение, необхо­димо приложить некоторое (иногда значительное) усилие. Движение неньютоновских жидкостей начинается только после того, как касательные напряжения в них достиг­нут некоторого предельного значения (так называемое начальное напряжение сдвига): при меньших касатель­ных напряжениях эти жидкости не текут, а испытывают только упругие деформации, как твердые тела.

В аномальных жидкостях касательное напряжение определяется по формуле Бингема

                                      (38)

где τ₀ - начальное (предельное) напряжение сдвига (для ньюто­новских жидкостей τ₀=0).

Таким образом, в аномальных жидкостях сила трения возникает еще в покоящихся, но уже стремящихся прийти в движение жидкостях. На рис. 6 показана за­висимость между касательным напряжением и градиен­том скорости.

Вязкость аномальных жидкостей (так называемая структурная вязкость) при заданных температуре и дав­лении непостоянна и изменяется в зависимости от гра­диента скорости du/dy по мере разрушения структуры жидкости, а следовательно, не является физической кон­стантой, как вязкость нормальных жидкостей.

1.6. Реальная и идеальная жидкость

Обратите внимание на лекцию "Назначение, классификация и организация ЦУУ".

Вязкость, присущая реальным жидкостям и приводящая к возникновению сил трения в движущейся жидкости, значительно осложняет изучение законов движения жидкости. Для облегчения теоретического решения задач, связанных с движением жидкости, в гидравлике используют понятие об идеальной жидкости.

Под идеальной жидкостью понимается фиктивная (несуществующая) жидкость, которая обладает абсолютной несжимаемостью (b_w  = 0), абсолютной неизменяемостью объема (b_t  = 0) и абсолютной подвижностью частиц (m = n = 0).

Таким образом, идеальная жидкость представляет собой некоторую модель жидкости, главным отличием которой от реальной жидкости является полное отсутствие вязкости. В части изменяемости объема под действием внешнего давления и температуры реальная и идеальная жидкости приближаются достаточно близко друг к другу.

Законы и зависимости, полученные теоретическим путем для идеальной жидкости, корректируются в гидравлике введением поправочных коэффициентов, учитывающих влияние вязкости на происходящие явления. Эти коэффициенты определяются в большинстве случаев экспериментальным путем.