3. Что такое жидкость? Основные свойства капельных жидкостей.

Жи́дкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями^[1]. При этом агрегатное состояние жидкости как и агрегатное состояние твёрдого тела являетсяконденсированным, т.е. связанным, состоянием. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в другихагрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.

Основные свойства капельных жидкостей

Одной из основных механических характеристик жидкости явля­ется ее плотность.

Плотностью (кг/м³) называют массу жидкости, заключенную в единице объема; для однородной жидкости

Удельным весом (Н/м³) называют вес единицы объема жидкости, т. е,.

Коротко рассмотрим основные физические свойства капельных жидкостей.

А) Сжимаемость, или свойство жидкости изменять свой объем под действием давления, характеризуется коэффициентом объемного сжатия, который представляет собой относительное изме­нение объема, приходящееся на единицу давления, т. е.

В большинстве случаев капельные жид­кости можно считать практически несжимаемыми, т. е. принимать их плотность не зависящей от давления. Но при очень высоких давлениях и упругих колебаниях сжимаемость жидкостей следует учитывать.

Различают адиабатный и изотермический модуль упругости. Первый больше второго приблизительно в 1,5 раза и проявляется при быстротечных процессах сжатия жидкости без теплообмена.

Б).Температурное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения, который представляет собой относительное изменение объема при изменении температуры  на 1 °С и постоян­ном давлении.

В).Сопротивление растяжению внутри капельных жидкостей по молекулярной' теории может быть весьма значительным. При опытах с тщательно очищенной и Дегазированной водой В ней были получены кратковременные напряжения растяжения до 23 — 28 МПа. Однако технически чистые жидкости, содержащие взвешенные твердые ча­стицы и мельчайшие пузырьки газов, не выдерживают даже незначи­тельных напряжений растяжения. Поэтому в дальнейшем будем считать, что напряжения растяжения в капельных жидкостях не­возможны.

Г). На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать объему жидкости сферическую форму и вызывающие некоторое дополнительное дав­ление. Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемов (капель).

В трубках малого диаметра дополнительное давление, обуслов­ленное поверхностным натяжением, вызывает подъем (или опускание) жидкости относительно нормального уровня, характеризующий капиллярность жидкости.

С явлением капиллярности приходится сталкиваться при исполь­зовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкости. Большое значе­ние приобретают силы поверхност­ного натяжения в жидкости, нахо­дящейся в условиях невесомости.

Д). Вязкость представляет собой свойство жидкости сопротивляться сдвигу (скольжению) ее слоев. Это свойство проявляется в том, что в жидкости при определенных усло­виях возникают касательные напря­жения. Вязкость есть свойство, противоположное текучести: более вязкие жидкости (глицерин, смазочные масла и др.) являются менее текучими, и наоборот.

При течении вязкой жидкости вдоль твердой стенки происходит торможение потока, обусловленное вязкостью. Скорость уменьшается по мере уменьшения расстояния у от стенки вплоть доv= 0 при у = 0, а между сдоями происходит проскальзывание, сопровождающееся возникновением касательных напряжений (на­пряжений трения),

Согласно гипотезе, высказанной впервые Ньютоном в 1686 г., а затем экспериментально обоснованной проф. Н. П. Петровым в 1883 г., касательное напряжение в жидкости зависит от ее рода и характера течения и при слоистом течении изменяется прямо пропорционально так называемому поперечному градиенту скорости.

Поперечный градиент скорости dv/dy определяет изменение ско­рости, приходящееся на единицу длины в направлении нормали к стенке и, следовательно, характеризует интенсивность сдвига жидкости в данной точке (точнееdv/dy — это модуль градиента ско­рости; сам градиент — вектор).

Из закона трения, следует, что напряжения трения возможны только в движущейся жидкости, т. е. вязкость жидкости проявляется лишь при ее течении. В покоящейся жидкости касательные напряжения будем считать равными нулю .

Изложенное позволяет сделать вывод, что трение в жидкостях, обусловленное вязкостью, подчинено закону, принципиально от­личному от закона трения твердых тел.

При постоянстве касательного напряжения по поверхности S полная касательная сила (сила трения), действующая по этой по­верхности

Наряду с динамической вязкостью μ применяют кинематическую:

Единицей измерения кинематической вязкости является стокc: 1 Ст = 1 см²/с. Сотая доля стокса называется сантистоксом (сСт).

Вязкость капельных жидкостей зависит от температуры и умень­шается с увеличением последней. Вязкость газов, наоборот, с увеличением температуры возрастает. Объясняется это различием природы вязкости в жидкостях и газах. В жидкостях молекулы расположены гораздо ближе друг к другу, чем в газах, и вязкость вызывается силами молекулярного сцепления. Эти силы с увеличе­нием температуры уменьшаются, поэтому вязкость падает, В газах же вязкость обусловлена, главным образом, беспорядочным тепловым движением молекул, интенсивность которого увеличивается с повы­шением температуры. Поэтому вязкость газов с увеличением темпе­ратуры возрастает.

Вязкость жидкостей зависит также от давления, однако эта за­висимость существенно проявляется лишь при относительно боль­ших изменениях давле­ния (в несколько десятков МПа). С увеличением давления вязкость боль­шинства жидкостей растает,

Вязкость жидкостей измеряют при помощи, вискозиметров. Наи­более распространенным является вискозиметр Энглера, который представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 106 мм, с ко­роткой трубкой диаметром 2,8 мм, встроенной в дно. Время t истече­ния 200 см³испытуемой жидкости из вискозиметра через эту трубку под действием силы тяжести, деленное на времяt_водистечения того же объема дистиллированной воды при 20° С выражает вязкость в гра­дусах Энглера: 1 °Е =t/t_вод, где t_вод= 51,6 с.

Для пересчета градусов Энглера в стоксы в случае минеральных масел применяют формулу

Ж).Испаряемостьсвойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых они находятся.

Одним из показателей, характеризующих испаряемость жидкости, является температура ее кипения при нормальном атмосферном дав­лении; чем выше температура кипения, тем меньше испаряемость жидкости. В гидросистемах нормальное атмосферное давление явля­ется лишь частным случаем; обычно приходится иметь дело с испаре­нием, а иногда и кипением жидкостей в замкнутых объемах при раз­личных температурах и давлениях. Поэтому более полной характе­ристикой испаряемости является давление (упругость) насыщенных паров р_н п, выраженное в функции температуры. Чем больше дав­ление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испа­ряемость жидкости. С увеличением температуры давлениер_н.п увели­чивается, однако у разных жидкостей в разной степени.

Если для простой жидкости рассматриваемая зависимость явля­ется вполне определенной, то для сложных жидкостей, представля­ющих собой многокомпонентные смеси (например, для бензина и др.), давление />_н.п зависит не только от физико-химических свойств и температуры, но и от соотношения объемов жидкой и паровой фаз, Давление насыщенных паров возрастает с увеличением части объема, занятого жидкой фазой. Обычно значения упругости паров сложных жидкостей даются для отношения паровой и жидкой фаз, равного 4:1.

З).Растворимость газов в жидкостях характеризуется количе­ством растворенного газа в единице объема жидкости, различна для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления.

Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо про­порциональным давлению, т. е.

При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на работе гидросистем.