- Основные свойства реальных жидкостей
2.2. Основные свойства реальных жидкостей
Сжимаемость
При сжатии реальные жидкости незначительно уменьшаются в объёме. Свойство жидкостей изменять объём при изменении давления характеризуется коэффициентом объёмного сжатия 
, представляющим собой относительное изменение объёма жидкости W при изменении давления p на единицу
,
где W - первоначальный объём жидкости, 
, 
- изменение объёма W при увеличении давления на величину 
.
Модулем объёмной упругости жидкости 
называется величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия 
.
Для воды при атмосферном давлении он составляет около 2000 МПа.
При повышении давления на 0.1 МПа объём воды уменьшается всего лишь на 
первоначального объёма.
Рекомендуемые материалы
Коэффициент объёмного сжатия для других капельных жидкостей такого же порядка, поэтому в большинстве случаев сжимаемостью капельных жидкостей можно пренебречь.
Температурное расширение
Это свойство жидкостей изменять свой объём. Характеризуется коэффициентом температурного расширения 
, представляющим собой относительное изменение объёма жидкости W при изменении температуры t на 1 С и постоянном давлении
.
Коэффициент температурного расширения 
. при t = 20 С и давлении 105Па для некоторых жидкостей приведены в таблице 3.
Таблиця 3
| Жидкость |
|
| вода | 0. 00015 |
| спирт | 0. 00110 |
| нефть | 0. 00060 |
Вязкость
Вязкость - это способность жидкости оказывать сопротивление скольжению одного слоя относительно другого. Силы, возникающие при скольжении слоёв, называют силами внутреннего трения или силами вязкости. Появление их обусловлено наличием межмолекулярных связей между движущимися слоями. Вязкость характеризует степень подвижности частиц жидкости или текучести.
Согласно гипотезе, высказанной впервые Ньютоном в 1686 году, а затем экспериментально обоснованной профессором Н.И.Петровым в 1863 году, силы внутреннего трения, возникающие между соседними движущимися слоями жидкости, прямо пропорциональны градиенту скорости, площади трущихся слоёв и зависит от свойств жидкости, т.е.
или
,
где Т - сила трения, S - площадь поверхности трущихся слоёв, m - динамический коэффициент вязкости, t - касательное напряжение, 
- градиент скорости.
Из соотношения для силы трения можно определить динамическую вязкость
.
В гидравлических расчётах часто используется кинематическая вязкость, равная отношению динамической вязкости 
к плотности 
жидкости:
.
Вязкость жидкостей зависит от температуры. С увеличением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а вязкость газов, наоборот, возрастает.
Кинематическая вязкость воды при разных температурах приведена в таблице 4.
Таблиця 4
| Температура, оС | Кінематична вязкість, м2/с |
| 20 | 101·10-8 |
| 40 | 66·10-8 |
| 60 | 48·10-8 |
Вязкость жидкостей измеряют с помощью приборов - вискозиметров.
Для неньютоновских (бингемовских) жидкостей соотношение между касательными напряжениями
и градиентом скорости 
имеет вид
,
где 
- касательное напряжение в состоянии покоя.
Движение вязкопластических жидкостей начинается лишь после того, как внешней силой преодолено сопротивление сдвига .
2.3. Поверхностное натяжение
Молекулы жидкости, находящиеся на свободной поверхности (границе раздела жидкость - газ или жидкость - пар), испытывают одностороннее воздействие со стороны соседних молекул. Поэтому на криволинейной поверхности должны возникать растягивающие усилия. Для количественного описания этого явления ещё в 1805 году Юнгом была проведена классическая аналогия с упругой плёнкой. Натяжение этой плёнки, т.е. усилие, приходящееся на единицу длины поперечного разреза плёнки, характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения
.
Сила поверхностного натяжения стремится сократить площадь свободной поверхности. Их действие впервые обнаружено в капиллярах, поэтому эти силы до сих пор часто называют капиллярными.
Величина 
зависит прежде всего от природы контактирующих сред. Числовые значения его для некоторых пар приведены в таблице 5.
Таблица 5
| Вещество | Контактирую-щая среда | Температура, К | Коэффициент поверхностного натяжения, |
| Вода | Воздух | 293 | 78.2 |
| Вода | Воздух | 373 | 58.8 |
| Жидкий водород | Пар вещества | 21 | 20 |
| Жидкий кислород | Пар вещества | 91 | 13.0 |
Коэффициент поверхностного натяжения падает с ростом температуры и практически не зависит от давления. Поверхностное натяжение может быть существенно снижено с помощью поверхностно-активных веществ, к числу которых относятся моющие средства.
Величина может служить мерой свободной энергии, которой обладает граница раздела:
,
где 
- площадь свободной поверхности.
В этом случае
,
что согласуется с ранее указанной размерностью.
Существование поверхностного натяжения должно приводить к возникновению на криволинейной поверхности перепада давлений, которые будут зависеть от конкретной геометрии поверхности.
Для объяснения этого факта рассмотрим равновесие элемента неплоской поверхности с линейными размерами 
и 
и главными радиусами кривизны R1 и R2 соответственно ( рис. 7).
Рис. 7
Равнодействующие сил поверхностного натяжения, действующих на границе выделенного контура, равны cdS2 и cdS1, а возникающая вследствие этого сила, действующая по нормали к выделенной площадке, в первом приближении равна
.
С учётом того, что
и 
,
имеем выражение для силы
.
Эта величина, очевидно, и есть скачок давления на поверхности раздела двух сред, обусловленный поверхностным натяжением.
Обозначив теперь через p1 и p2 давление в средах на границе раздела из условия равновесия элементарной площадки, запишем соотношение
,
которое называется формулой Лапласа.
Для цилиндрических поверхностей с круговым поперечным сечением радиуса R имеем 
,R2=R и формула Лапласа принимает вид:
.
В случае сферических поверхностей R1=R2=R и тогда получаем:
.
Если радиус сферической полости мал, то давления, развиваемое поверхностным натяжением, могут стать значительными.
|
Рис. 8 | Весьма характерной является система газ - жидкость – твёрдая стенка ( рис. 8). В этом случае вводят значение краевого угла ( угла контакта или угла смачивания). Характерные значения краевых углов приведены в таблице 6. Если |
, жидкость называется смачивающей, если 
- несмачивающей.Таблица 6
| Твёрдое вещество | Жидкость | Краевой угол, град. | |||
| Сталь | Вода | 70 - 90 | |||
| Сталь | Жидкий водород | 0 | |||
| Сталь | Жидкий кислород | 0 | |||
| Стекло | Ртуть | 128-148 | |||
|
Рис. 9 | Высота подъёма или опускания жидкости в капилляре определяется с помощью соотношения
где d- диаметр капилляра, а q - угол смачивания ( рис. 9 ). | ||||
, 2.4. Уравнение состояния. Адиабата Тэйда
Опыт показывает, что между основными параметрами, характеризующими состояние газа (давление, плотность, температура) существует определённая зависимость.
Уравнение
,
устанавливающее связь между этими параметрами, называется уравнением состояния.
Поэтому состояние любого газа определяется двумя параметрами (например, плотностью и температурой), так как третий параметр (давление) можно найти из уравнения состояния.
Для идеального газа уравнение состояния можно представить в виде
,
где 
- газовая постоянная, зависящая от относительной молекулярной массы m .
Для воздуха m = 29, R =
.
Существенное отклонение свойств воздуха от свойств идеального газа наблюдается при высоких давления и низких температурах. На состояние газа влияют такие процессы, как диссоциация и ионизация.
Уравнение состояния воды
Пусть в равновесном состоянии справедливо уравнение 
.
Тогда при малых отклонениях параметров р и Т от р0 и Т0 уравнение состояния воды в линейном приближении можно записать в форме, предложенной Буссинеском:
,
где a - коэффициент изотермической сжимаемости,
b - коэффициент теплового расширения.
При температуре 293 К
.
"10. Системы двухпозиционного регулирования" - тут тоже много полезного для Вас.
Зависимость 
от давления весьма стойкая.
Адиабатические процессы, характеризующиеся отсутствием внешнего подвода или отвода тепла, протекают в воде практически при постоянной температуре. Это объясняется особенностью молекулярного строения жидкости. Ввиду большой плотности упаковки молекулы жидкости помимо обмена импульсами в тепловом движении испытывают дополнительные силы отталкивания. При сжатии жидкости даже без нагревания развивается большое внутреннее давление нетеплового происхождения. Изменение давления происходит только в результате изменения его механической компоненты.
В случае значительных изменений давления связь между плотностью и давлением становится существенно нелинейной. Наиболее широкое распространение получило эмпирическое уравнение изэнтропы, которое носит название уравнения Тэйда:
,
где С и n – константы 
.
Уравнение Тэйда устанавливает зависимость плотности только от давления. Это означает, что оно описывает баротропный процесс.
