- Тиск в рідині
- Щільність і питома вага
- в'язкість
- стисливість
- температурне розширення
- испаряемость
- розчинність газів
Наша сеть партнеров Banwar
Рідина в гідравліки розглядають як суцільну середу без пустот і проміжків. Крім того, не враховують вплив окремих молекул, тобто навіть нескінченно малі частки рідини вважають що складаються з дуже великої кількості молекул.
З курсу фізики відомо, що внаслідок плинності рідини, тобто рухливості її частинок, вона не сприймає зосереджені сили. Тому в рідини діють тільки розподілені сили, причому ці сили можуть розподілятися по об'єму рідини (масові або об'ємні сили) або по поверхні (поверхневі сили).
Об'ємні (масові) сили
До об'ємних (масових) силам відносяться сили тяжіння і сили інерції. Вони пропорційні масі і підкоряються другому закону Ньютона.
поверхневі сили
До поверхневих силам слід віднести сили, з якими впливають на рідину сусідні обсяги рідини або тіла, так як цей вплив здійснюється через поверхні. Розглянемо їх докладніше.
Нехай на плоску поверхню площею S під довільним кутом діє сила R
Силу R можна розкласти на тангенціальну Т і нормальну F складові.
Сила тертя
Тангенціальна складова називається силою тертя Т і викликає в рідині дотичні напруження (або напруги тертя):
Одиницею вимірювання дотичних напружень в системі СІ є Паскаль (Па) - ньютон, віднесений до квадратному метру (1 Па = 1 Н / м2).
Тиск в рідині
Нормальна сила F називається силою тиску і викликає в рідині нормальні напруги стиснення, які визначаються відношенням:
Нормальні напруги, що виникають в рідині під дією зовнішніх сил, називаються гидромеханическим тиском або просто тиском.
Системи відліку тиску
Розглянемо системи відліку тиску. Важливим при вирішенні практичних завдань є вибір системи відліку тиску (шкали тиску). За початок шкали може бути прийнятий абсолютний нуль тиску. При відліку тисків від цього нуля їх називають абсолютними - Pабс.
Однак, як показує практика, технічні завдання зручніше вирішувати, використовуючи надлишкові тиску Pізб, тобто коли за початок шкали приймається атмосферний тиск.
Тиск, який відраховується "вниз" від атмосферного нуля, називається тиском вакууму Pвак, або вакуумом.
де Pатм - атмосферний тиск, виміряний барометром.
Зв'язок між абсолютним тиском Pабс і тиском вакууму Pвак можна встановити аналогічним шляхом:
І надлишковий тиск, і вакуум відраховуються від одного нуля (Pатм), але в різні боки.
Таким чином, абсолютна, надмірне і вакуумне тиску пов'язані і дозволяють перерахувати одне в інше.
Одиниці виміру тиску
Практика показала, що для вирішення технічних (прикладних) задач найбільш зручно використовувати надлишкові тиску. Основною одиницею виміру тиску в системі СІ є паскаль (Па), який дорівнює тиску, що виникає при дії сили в 1 Н на площу розміром 1 м2 (1 Па = 1 Н / м2).
Однак частіше використовуються більші одиниці: кілопаскалях (1 кПа = 103 Па) і мегапаскалей (1 МПа = 106 Па).
У техніці широке поширення набула позасистемна одиниця - технічна атмосфера (ат), яка дорівнює тиску, що виникає при дії сили в 1 кгс на площу розміром 1 см2 (1 ат = 1 кгс / см2).
Співвідношення між найбільш використовуваними одиницями наступні:
10 ат = 0,981 МПа ≈ 1 МПа або 1 ат = 98,1 кПа ≈ 100 кПа.
У зарубіжній літературі використовується також одиниця виміру тиску бар
(1 бар = 105 Па).
У яких ще одиницях вимірюється тиск, можна подивитися тут
Розглянемо деякі властивості рідин, які надають найбільш істотний вплив на події в них процеси і тому враховуються при розрахунках гідравлічних систем.
Щільність і питома вага
Найважливішими характеристиками механічних властивостей рідини є її щільність і питома вага. Вони визначають "вагомість" рідини.
Під щільністю ρ (кг / м3) розуміють масу рідини m, укладену в одиниці її об'єму V, тобто
Замість щільності в формулах може бути використаний також питома вага γ (Н / м3), тобто вага G = m⋅g, що припадає на одиницю об'єму V:
Зміни щільності і питомої ваги рідини при зміні температури і тиску незначні, і в більшості випадків їх не враховують.
Щільності найбільш уживаних рідин і газів (кг / м3):
бензин 710 ... 780 гас 790 ... 860 вода 1000 ртуть 13600 масло гідросистем (АМГ-10) 850 масло веретенне 890 ... 900 масло індустріальне 880 ... 920 масло турбінне 900 метан 0,7 повітря 1,3 вуглекислий газ 2,0 пропан 2,0
в'язкість
В'язкість - це здатність рідини чинити опір зсуву, т. Е. Властивість, зворотне плинності (більш в'язкі рідини є менш текучими). В'язкість проявляється у виникненні дотичних напружень (напруг тертя).
Розглянемо шарувату протягом рідини уздовж стінки (малюнок)
В цьому випадку відбувається гальмування потоку рідини, обумовлене її в'язкістю. Причому швидкість руху рідини в шарі тим нижче, чим ближче він розташований до стінки. Відповідно до гіпотези Ньютона дотичне напруження, що виникає в шарі рідини на відстані у від стінки, визначається залежністю:
Закон тертя Ньютона
де dv / dy - градієнт швидкості, що характеризує інтенсивність наростання швидкості v при видаленні від стінки (по осі у), μ - динамічна в'язкість рідини.
Течії більшості рідин, використовуваних в гідравлічних системах, підкоряються закону тертя Ньютона, і їх називають ньютоновскими рідинами.
Однак слід мати на увазі, що існують рідини, в яких закон Ньютона в тій чи іншій мірі порушується. Такі рідини називають неньютоновскими.
Величина μ, що входить в формулу (динамічна в'язкість рідини), вимірюється в Па ⋅ з яких в пуаз 1 П = 0.1 Па ⋅ с. Пуаз (позначення: П, до 1978 року пз; міжнародне - P; від фр. Poise) - одиниця динамічної в'язкості в системі одиниць СГС. Один пуаз дорівнює в'язкості рідини, яка надає опір силою в 1 дину взаємному переміщенню двох шарів рідини площею 1 см², що знаходяться на відстані 1 см один від одного і взаємно переміщаються з відносною швидкістю 1 см / с.
Одиниця названа на честь Ж. Л. М. Пуазейля. Пуаз має аналог в системі СІ - паскаль-секунда (Па · c).
Вода при температурі 20 ° C має в'язкість 0,01002 П, або близько 1 сантіпуаз.
Однак на практиці більш широке застосування знайшла
Кінематична в'язкість:
Одиницею виміру останньої в системі СІ є м2 / с або більше дрібна одиниця - см2 / с, яку прийнято називати Стоксом, 1 ст = 1 см2 / с. Для вимірювання в'язкості також використовуються сантістокс: 1 сСт = 0,01 Ст.
В'язкість рідин істотно залежить від температури, причому в'язкість крапельних рідин з підвищенням температури падає, а в'язкість газів - зростає (див. Малюнок).
Це пояснюється тим, що в крапельних рідинах, де молекули розташовані близько один до одного, в'язкість обумовлена силами молекулярного зчеплення. Ці сили з ростом температури слабшають, і в'язкість падає. У газах молекули розташовуються значно далі один від одного. В'язкість газу залежить від інтенсивності хаотичного руху молекул. З ростом температури ця інтенсивність зростає і в'язкість газу збільшується.
В'язкість рідин залежить також від тиску, але ця зміна незначно, і в більшості випадків його не враховують.
стисливість
Стисливість - це здатність рідини змінювати свій об'єм під дією тиску. Стисливість крапельних рідин і газів істотно різниться. Так, краплинні рідини при зміні тиску змінюють свій обсяг вкрай незначно. Гази, навпаки, можуть значно стискатися під дією тиску і необмежено розширюватися при його відсутності.
Для обліку стисливості газів при різних умовах можуть бути використані рівняння стану газу або залежності для Політропний процесів.
Стисливість крапельних рідин характеризується коефіцієнтом об'ємного стиснення βр (Па-1):
де dV - зміна обсягу під дією тиску; dр - зміна тиску; V - об'єм рідини.
Знак "мінус" у формулі обумовлений тим, що при збільшенні тиску обсяг рідини зменшується, тобто позитивне прирощення тиску викликає негативне прирощення обсягу.
При кінцевих збільшеннях тиску і відомому початковому обсязі V0 можна визначити кінцевий об'єм рідини:
а також її щільність
Величина, зворотна коефіцієнту об'ємного стиснення βр, називається об'ємним модулем пружності рідини (або модулем пружності) К = 1 / βр (Па).
Ця величина входить в узагальнений закон Гука, що зв'язує зміна тиску зі зміною обсягу
Модуль пружності крапельних рідин змінюється при зміні температури і тиску. Однак в більшості випадків K вважають постійною величиною, приймаючи за неї середнє значення в даному діапазоні температур або тисків.
Модулі пружності деяких рідин (МПа):
бензин 1300 гас 1280 вода 2000 ртуть 32400 масло гідросистем (АМГ-10) 1300 масло індустріальне 20 1360 масло індустріальне 50 1470 масло турбінне 1700
температурне розширення
Здатність рідини змінювати свій об'єм при зміні температури називається температурним розширенням. Воно характеризується коефіцієнтом температурного розширення βt:
де dT- зміна температури; dV- зміна обсягу під дією температури; V - об'єм рідини.
При кінцевих збільшеннях температури:
Як видно з формул, зі збільшенням температури об'єм рідини зростає, а щільність зменшується.
Коефіцієнт температурного розширення рідин залежить від тиску і температури:
Т, ° C p, МПа βt, 1 / град 0 0,1 14 · 10-6 100 10 700 · 10 -6
Тобто при різних умовах коефіцієнт температурного розширення змінився в 50 разів. Однак на практиці зазвичай беруть середнє значення в даному діапазоні температур і давленія.Напрімер, для мінеральних масел βt ≈ 800 · 10-6 1 / град.
Гази вельми значно змінюють свій об'єм при зміні температури. Для обліку цієї зміни використовують рівняння стану газів або формули Політропний процесів.
испаряемость
Будь-яка крапельна рідина здатна змінювати свій агрегатний стан, зокрема перетворюватися в пар. Це властивість крапельних рідин називають испаряемостью. У гідравліки найбільше значення має умова, при якому починається інтенсивне пароутворення по всьому об'єму - кипіння рідини.
Для початку процесу кипіння повинні бути створені певні умови (температура і тиск). Наприклад, дистильована вода закипає при нормальному атмосферному тиску і температурі 100 ° С. Однак це є окремим випадком кипіння води. Та ж вода може закипіти при іншій температурі, якщо вона буде перебувати під впливом іншого тиску, т. Е. Для кожного значення температури рідини, використовуваної в гідросистемі, існує свій тиск, при якому вона закипає.
Тиск при якому рідина закипає, називають тиском насичених парів (pн.п.).
Величина pн.п. завжди наводиться як абсолютний тиск і залежить від температури.
Для прикладу на малюнку приведена залежність тиску насичених парів води від температури.
На графіку виділена точка А, відповідна температурі 100 ° С і нормальному атмосферному тиску ра. Якщо на вільної поверхні води створити більш високий тиск р1, то вона закипить при більш високій температурі Т1 (точка В на малюнку). І навпаки, при малому тиску р2 вода закипає при більш низькій температурі Т2 (точка С).
розчинність газів
Багато рідини здатні розчиняти в собі гази. Ця здатність характеризується кількістю розчиненого газу в одиниці об'єму рідини, розрізняється для різних рідин і змінюється зі збільшенням тиску.
Відносний обсяг газу, розчиненого в рідині до її повного насичення, можна вважати за законом Генрі прямо пропорційним тиску, тобто:
де Vг - обсяг розчиненого газу, приведений до нормальних умов (p0, Т0);
Vж - обсяг рідини;
k - коефіцієнт розчинності;
р - тиск рідини.
Коефіцієнт k має наступні значення при 20 ° С:
вода 0,016 гас 0,13 мінеральні масла 0,08 рідина АМГ-10 0,1
При зниженні тиску виділяється розчинений у рідині газ, причому інтенсивніше, ніж розчиняється в ній. Це явище може негативно позначається на роботі гідросистем.