Некоторые физические свойства жидкостей

Рассмотрим физические свойства жидкостей, определяющие их поведение при гидравлических процессах и применение в различных областях техники.

Температурное расширение. Увеличение объема жидкостей при нагревании необходимо учитывать при их практическом применении, так как нагревающиеся жидкости могут переливаться через края резервуара, разрушать герметично закрытые посуды, вызывать погрешность в работе приборов и пр.

Температурное расширение зависит от физической природы жидкости и характеризуется коэффициентом объемного расширения, который показывает относительное изменение объема жидкости при увеличении температуры на 1 градус.

Сжимаемость и упругость. Под сжимаемостью понимают свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Так как все капельные жидкости (обычные жидкости, встречаемые в природе и применяемые в технике) имеют незначительную сжимаемость, то в гидравлических расчетах их чаще всего считают несжимаемыми. Но иногда сжимаемостью жидкости пренебрегать нельзя, например, если жидкость находится под землей на больших глубинах, где она испытывает высокие давления. Нельзя также пренебрегать сжимаемостью жидкостей при расчетах гидравлического удара.

Под упругостью понимают способность жидкости принимать свой прежний объем после снятия внешней нагрузки. Свойство упругости определяет использование жидкости в качестве рабочего тела во многих гидравлических устройствах и машинах и характеризуется модулем упругости К (Па).

Для капельных жидкостей модуль упругости возрастает с увеличением температуры и давления. Для воды модуль упругости может быть принят равным К=2-103 МПа. Это значит, что при повышении давления на 0,1 МПа объем воды уменьшается на 1/20000. Это указывает на весьма незначительную сжимаемость воды. Сжимаемость других капельных жидкостей имеет такой же порядок, поэтому они считаются практически несжимаемыми, а их удельный вес (отношение веса жидкости к ее объему) —.независящим от давления.

Капельные жидкости при особых условиях способны выдерживать большие растягивающие усилия. Вода может выдерживать отрицательные нагрузки до 2,8-104 кПа. Сопротивление растяжению возрастает по мере удаления из жидкости растворенных в ней газов. Так, обычная водопроводная вода способна выдерживать отрицательные усилия до 2,0-Ю3 кПа, а после удаления из нее воздуха — до 1,0-Ю4 кПа.

В капиллярах сопротивление жидкости растяжению увеличивается. В обычных же условиях сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей очень мало, и поэтому иногда считают, что жидкости неспособны, выдерживать отрицательные нагрузки.

Испаряемость и кавитация. Испаряемость жидкостей зависит от температуры и давления. При снижении давления в жидкости и при повышении температуры упругость паров увеличивается и жидкость закипает. Под упругостью паров обычно понимают парциальное (частичное) давление насыщенных паров жидкости над ее поверхностью, при котором пары находятся в равновесии с жидкостью, т. е. когда процессы испарения и конденсации взаимно уравновешены:

В обычных условиях (при нормальном атмосферном давлении и температуре) вода содержит около 2% объема растворенного в ней воздуха. Очевидно, что при повышении температуры и понижении давления, когда вместе с испарением жидкости в ней начнут выделяться пузырьки воздуха. Появление в воде паровоздушных пузырьков называется кавитацией.

Жидкость, содержащая паровоздушную смесь, приобретает свойства, отличные от свойств воды: сжимаемость ее значительно возрастает. Попадая в область повышенного давления, пузырьки пара конденсируются и переходят в жидкое состояние, а воздушные сжимаются или полностью смыкаются. Это явление происходит мгновенно и сопровождается сильными ударами с резким повышением давления, в несколько тысяч раз превосходящего атмосферное. Так как микроудары многократно повторяются на очень малой площадке, происходит разрушение твердой поверхности. В результате имеет место так называемая кавитационная эрозия.

Явление кавитации уменьшает пропускную способность трубопроводов, снижает подачу и КПД насосов. Кавитационная эрозия приводит к разрушению лопастей гидравлических турбин, насосов, гребных винтов и даже бетонных гидротехнических сооружений.

Вязкость. Вязкостью называется свойство жидкости сопротивляться сдвигу или скольжению одних слоев жидкости относительно других, так как между слоями жидкости возникают силы внутреннего трения и касательные напряжения.

Впервые предположение о наличии сил внутреннего трения высказал И. Ньютон в 1686 г., а достоверность этой гипотезы экспериментально обосновал и подтвердил профессор Н. П. Петров в 1883 г. Согласно гипотезе И. Ньютона величина сил внутреннего трения между слоями не зависит от давления, а зависит от рода жидкости, площади соприкосновения слоев и относительной скорости перемещения.

Чтобы лучше понять это утверждение, рассмотрим (рис. 1.1). При движении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока за счет трения частиц жидкости о стенку. В результате скорости движения слоев и будут уменьшаться по мере приближения их к стенке. Очевидно, что в непосредственной близости от стенки будет находиться заторможенный элементарный слой, где скорость близка к нулю.

Различие в скоростях движения приводит к тому, что происходит проскальзывание соседних слоев и возникновение касательных напряжений.

Физический смысл коэффициента динамической вязкости можно понять, приняв du/dy=1. Тогда из уравнения. Таким образом, коэффициент динамической вязкости можно рассматривать как напряжение внутреннего трения при градиенте скорости, равном единице.

Текучесть жидкостей характеризуется величиной, обратной коэффициенту динамической вязкости.

Рис. 1.1 Распределение скоростей при течении вязкой жидкости вдоль стенки.

 

Из закона трения, описываемого уравнением, видно, что напряжение трения может возникать только в движущейся жидкости при наличии скоростной деформации. В покоящейся жидкости скоростная деформация равна нулю; следовательно, касательные напряжения также равны нулю. Жидкости, для которых приемлема зависимость, получили название нормальных или ньютоновских.

Однако существуют жидкости, для которых зависимость неприемлема. К ним относятся нефть и некоторые нефтепродукты, битумные и полимерные материалы, смазочные масла при низких температурах, расплавленные металлы при температурах, близких к температуре кристаллизации, различного рода суспензии и коллоидные растворы (например, зубная паста). Такие жидкости называют аномальными или неньютоновскими. Они отличаются от нормальных (ньютоновских) наличием сил трения даже в состоянии покоя, что препятствует переходу жидкостей в движение до определенного напряженного состояния. Их движение начинается только после преодоления некоторого предельного значения касательного напряжения то, которое не зависит от градиента скорости по нормалям.

Особенность движения аномальных жидкостей была выявлена русским ученым Ф. Н. Шведовым еще в 1889 г., а затем исследована и описана американским ученым Бингемом в 1916 г. Поэтому их иногда называют бингемовскими или шведовскими.

Вязкость капельных жидкостей в значительной степени зависит от температуры. Например, с повышением температуры вязкость капельной жидкости уменьшается, а воздуха увеличивается. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены значительно ближе друг к другу, чем в газах. Так как вязкость обусловлена силами межмолекулярного сцепления, а эти силы с увеличением температуры жидкости уменьшаются, то и вязкость ее уменьшается. В то же время в газах молекулы движутся беспорядочно, а с ростом температуры беспорядочность теплового движения молекул возрастает, что вызывает увеличение вязкости.

Для таких жидкостей, как бензин, керосин, спирт, молоко и другие, характерны низкие значения вязкости, в то время как вязкость патоки, мазута, глицерина и других довольно значительна.

Вязкость играет существенную роль при перекачивании жидкости по трубам, при опорожнении резервуаров, при работе различных машин и механизмов. Особенно важна зависимость вязкости смазочных масел от температуры. Например, значительное снижение вязкости автомобильных масел при повышении температуры может сделать их слишком жидкотекучими. В результате ухудшаются их рабочие характеристики, что вызывает преждевременный износ двигателя. В связи с этим применяют специальные добавки, стабилизующие вязкость масел.

В гидравлике создана модель абстрактной, не существующей в природе жидкости, которая называется идеальной жидкостью. Для идеальной жидкости характерны следующие допущения:

абсолютная не сжимаемость, т. е. неизменяемость объема под действием внешних сил и температуры;

полное отсутствие вязкости, т. е. исключение возможности возникновения сил внутреннего трения.

Реальная жидкость отличается от идеальной, прежде всего тем, что при ее движении возникают касательные напряжения (внутреннее трение). В покоящейся жидкости касательные напряжения всегда отсутствуют, и потому в гидростатике нет необходимости различать реальную и идеальную жидкости.

Использование модели идеальной жидкости позволяет проводить исследования движущихся жидкостей с применением современного математического аппарата. Чтобы перейти от идеальных жидкостей к реальным, необходимо либо учесть напряжения и деформации, которые возникают в реальных жидкостях, либо ввести дополнительные коэффициенты, полученные для реальных жидкостей экспериментальным путем.

В гидравлике принято еще одно допущение. Жидкость рассматривается как непрерывная, сплошная среда, заполняющая пространство без пустот и промежутков, которую называют континуум (от латинского слова continuum — непрерывное). Исходя из этого, считают, что и физические характеристики, определяющие состояние и движение жидкости, распределяются и изменяются в занятом ею объеме непрерывно.1