Тепловое расширение жидкостей и газов

Температурным или тепловым расширением называют свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.

Физическим параметром, характеризующим это свойство, принято считать температурный коэффициент объемного расширения , который числено равен относительному изменению объема фиксированной массы жидкости при изменении ее температуры на единицу градуса ( ) при постоянном давлении:

(4)

Температурный коэффициент объемного расширения в системе СИ изменяется как .

Для газов объем будет увеличиваться при повышении температуры и может быть найден по формуле

(5)

Необходимо отметить, что для реальных капельных жидкостей температурный коэффициент объемного расширения незначителен. Так, для воды при 20⁰С и нормальном атмосферном давлении .

Для подавляющего большинства жидкостей, применяемых в инженерной практике, этот коэффициент имеет такой же порядок, что и для воды.

Вязкость жидкостей и газов

Вязкость жидкостей. Вязкость является одним из важнейших свойств, характерных только для жидкостей, и которое во многом определяет поведение реальных жидкостей при их движении.

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу ее частиц или слоев друг относительно друга, проявляющееся в давлении внутреннего трения.

Влияние вязкости на характер течения отражается двумя постулатами, основанными на всесторонних экспериментальных исследованиях - гипотезе “прилипания” и законе внутреннего трения Ньютона.

Гипотеза “прилипания” заключается в том, что частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердому телу, абсорбируются им, как бы прилипают к его поверхности, т.е. их скорость равна скорости твердого тела. В соответствии с этой гипотезой скорость жидкости на неподвижной твердой поверхности всегда равна нулю (рис. 1.)

Рис. 1. Распределение скорости движущейся жидкости по сечению

Между соприкасающимися частицами или слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, всегда возникают силы внутреннего трения, направленные по касательной к поверхности соприкосновения и противодействующие смещению этих частиц друг относительно друга.

В математической формулировке закон Ньютона имеет вид:

(6)

где - удельная сила трения, приходящуюся на единицу поверхности соприкасающихся слоев, называемая касательным напряжением, ,

- динамическая вязкость, ;

- изменение расстояния вдоль нормали между двумя бесконечно близкими слоями.

Сила вязкости может быть найдена по соответствующему уравнению

Стокса:

,

где - площадь поперечного сечения.

В механике жидкости наряду с динамическим коэффициентом вязкости широко используется другой физический параметр, характеризующий вязкость жидкости - кинематический коэффициент вязкости.

Кинематический коэффициент вязкости определяется как величина равная отношению коэффициента динамической вязкости к плотности жидкости :

(7)

где - вязкость жидкости,

Вязкость жидкостей зависит от температуры и давления. В специальной литературе широко приводятся экспериментальные, аналитические формулы, графики и таблицы, отражающие зависимость коэффициентов вязкости от температуры и давления.

Зависимости коэффициентов вязкости от давления и температуры различны для капельных жидкостей и газов:

1. У капельных жидкостей вязкость практически не зависит от давления, но значительно уменьшается при повышении температуры, так как часть энергии идет на разрыв молекулярных связей жидкости.

2. Вязкость газов, в отличие от капельных жидкостей, существенно возрастает с увеличением температуры, так как увеличивается кинетическая энергия молекул газа.