1. Основные определения и понятия

Многие технологические процессы химической промышленности связаны с движением жидкостей, газов или паров, перемещением в жидких средах, а также с разделением неоднородных смесей путем отстаивания, фильтрования и центрифугирования. Скорость всех указанных физических процессов определяется законами гидромеханики. Поэтому такие процессы называют гидромеханическими. Движущей силой гидромеханических процессов является разность давлений или градиент давлений, обусловленные разностью плотностей обрабатываемых материалов или иными причинами.

Законы гидромеханики и их практическое приложения изучаются в гидравлике, которая состоит из гидростатики и гидродинамики. Гидростатика рассматривает законы равновесия в состоянии покоя, а гидродинамика – законы движения жидкостей и газов.

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым наименованием – жидкости. Это объясняется тем, что законы движения жидкостей и газов практически одинаковы, если их скорости ниже скорости звука. Поэтому в дальнейшем жидкостями называются все вещества, обладающие текучестью при приложении к ним самых незначительных сил. Так, жидкость течет под действием собственного веса, если для этого представляется возможность.

Жидкость, как и всякое физическое тело, имеет молекулярное строение, т. e. состоит из отдельных частиц — молекул, объем пустот между которыми во много раз превосходит объем самих молекул. Однако ввиду чрезвычайной малости не только самих молекул, но и расстояний между ними (по сравнению c объемами, рассматриваемыми при изучении равновесия и движения жидкости) в механике жидкости ее молекулярное строение не рассматривается; предполагается, что жидкость заполняет пространство сплошь, без образования каких бы то ни было пустот. Тем самым вместо самой жидкости изучается ее модель, обладающая свойством непрерывности (фиктивная сплошная среда — континуум). B этом состоит гипотеза o непрерывности или сплошности жидкой среды. Эта гипотеза упрощает исследование, так как позволяет рассматривать все механические характеристики жидкой среды (скорость, плотность, давление и т. д.) как функции координат точки в пространстве и во времени, причем в большинстве случаев эти функции предполагаются непрерывными и дифференцируемыми. Непрерывную модель жидкости можно применять до тех пор, пока в достаточно малых объемах жидкости содержится большое количество молекул.Так, известно, что в 1∙10^-6 м³ воздуха находится 2,7∙1019 молекул.

Идеальные жидкости – абсолютно несжимаемые под действием давления, не изменяют плотности при изменении температуры м не обладают вязкостью.

Реальные (вязкие) жидкости делятся на капельные и упругие (газы или пары). Капельные жидкости практически несжимаемы и обладают очень малым коэффициентом объемного расширения. Объем упругих жидкостей сильно изменяются при изменении температуры или давления.

• малосжимаемые (капельные);

• сжимаемые (газообразные).

2. Некоторые физические свойства жидкостей

Основные свойства жидкостей, существенные при рассмотрении задач механики жидкости, — плотность и вязкость. В некоторых случаях (при образовании капель, течении тонких струй, образовании капиллярных волн и др.) имеет значение также поверхностное натяжение жидкостей.

Плотность жидкостей. Плотностью жидкости ρ называется ее масса, заключенная в единице объема: (2.1)

где М — масса жидкости в объеме W.

Плотность воды при 4°Сρ_в=1000 кг/м³ .

В практических приложениях о массе жидкости судят по ее весу. Вес жидкости, приходящийся на единицу объема, называется удельным весом:

(2.2)

где G - вес жидкости в объеме W.

Удельный вес воды при 4°С Н/м³ .

Плотность и удельный вес связаны между собой известным соотношением:

(2.3)

где g - ускорение свободного падения

Плотность ρ и удельный вес γ капельных жидкостей при 20° С
Жидкость	γ Н/м^3	ρ кг/м^3
Анилин	9270	1040
Бензол	8590-8630	876-880
Бензин авиационный	7250-7370	739-751
Вода пресная	9790	998,2
Вода морская	10010-10090	1002-1029
Глицерин безводный	12260	1250
Керосин	7770-8450	792-840
Масло касторовое	9520	970
Масло минеральное	8000-8750	877-892
Нефть	8340-9320	850-950
Ртуть	132900	13547
Спирт этиловый безводный	7440	789,3
Хлористый натрий (раствор)	10690	1200
Эфир этиловый	7010-7050	715-719

Приближённые значения плотности ρ и удельного веса γ газов при давлении 740 мм рт. cт. и t=15° C
Газ	γ Н/м^3	ρ кг/м^3
Водород	0,81	0,08
Водяной пар	7,25	0,74
Окись углерода	11,3	1,15
Азот	11,3	1,15
Воздух	11,6	1,2
Кислород	12,8	1,3
Углекислота	17,6	1,8

Вязкость жидкостей. Вязкостью называется свойство жидкостей оказывать сопротивление сдвигу. Все реальные жидкости обладают определенной вязкостью, которая проявляется в виде внутреннего трения при относительном перемещении смежных частиц жидкости. Наряду с легко подвижными жидкостями (например, водой, воздухом) существуют очень вязкие жидкости, сопротивление которых сдвигу весьма значительно (глицерин, тяжелые масла и др.). Таким образом, вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижности ее частиц.

Пусть жидкость течет вдоль плоской стенки параллельными ей слоями (рис. 2.1), как это наблюдается при ламинарном дви­жении. Вследствие тормозящего влияния стенки слои жидкости будут двигаться c разными скоростями, значения которых возрастают по мере отдаления от стенки.

Рис. 2.1. Распределение скоростей при течении жидкости вдоль твёрдой стенки

Рассмотрим два слоя жидкости, двигающиеся на расстоянии Δу друг от друга. Слой A движется со скоростью u, a слойВ — со скоростью u+Δu. Вследствие разности скоростей за единицу времени слойВ сдвигается относительно слоя А на величину Δu. Величина Δu является абсолютным сдвигом слоя A по слою В, а Δu/Δy есть градиент скорости (относительный сдвиг). Появляющееся при этом движении касательное напряжение (сила трения на единицу площади) обозначим через. Тогда аналогично явлению сдвига в твердых телах мы получим следующую зависимость между напряжением и деформацией:

(2.4)

Или, если слои будут находиться бесконечно близко друг к другу,

(2.5)

Величина µ, аналогичная коэффициенту сдвига в твердых телах и характеризующая сопротивляемость жидкости сдвигу, называется динамической или абсолютнойвязкостью. На существование соотношения (2.5) первое указание имеется у Ньютона, и потому оно называется законом трения Ньютона.

В международной системе единиц динамическая вязкость выражается в H∙с/м² или Па∙c.

В технической системе единиц динамическая вязкость имеет размерность кгс∙с∙м^-2. B системе CGS за единицу динамической вязкости принимается пуаз (П) в память французского врача Пуазейля, исследовавшего законы движения крови в сосудах человеческого тела, равный 1 г∙см^-1∙с^-1; 1 Па∙с=0,102 кгс∙с/м²=10 П.

Вязкость жидкостей в сильной степени зависит от температуры; при этом вязкость капельных жидкостей при увеличении температуры уменьшается, вязкость газов возрастает.

Наряду с понятием абсолютной или динамической вязкости в гидравлике находит применение понятие кинематической вязкости; представляющей собой отношение абсолютной вязкости к плотности жидкости:

(2.6)

Эта вязкость названа кинематической, так как в ее размерности отсутствуют единицы силы.

B международной системе единиц кинематическая вязкость измеряется в м²/с; единицей для измерения кинематической вязкости в системе CGS служит стокc (в честь английского физика Стокса): 1 Ст=1 см²/с=10^-4 м²/с. Сотая часть стокса называется сантистоксом (сСт) : 1 м²/с=1∙10⁴ Ст=1∙10⁶cCт.

Кинематическая и динамическая вязкость капельных жидкостей (при t=20° C)
Жидкость	μ, Па∙с	ν∙10^4, м^2/с
Вода пресная	0,00101	0,01012
Глицерин безводный	0,512	4,1
Керосин (при 15° C)	0,0016-0,0025	0,02-0,03
Бензин (при 15° C)	0,0006-0,00065	0,0083-0,0093
Масло касторовое	0,972	10,02
Масло минеральное	0,0275-1,29	0,313-14,5
Нефть при 15° C	0,007-0,008	0,081-0,093
Ртуть	0,0015	0,00111
Спирт этиловый безводный	0,00116	0,0151

Давление. Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, в котором она находится, и на поверхность любого погруженного в нее тела. На элементарную площадку ΔF в внутри объема покоящейся жидкости она будет давить на нее с некоторой силой, равной ΔР и направленной к нормали к площадке ΔF. Отношение ΔР/ΔF представляет собой среднее гидростатическое давление, а предел этого отношения при ΔF→0 носит название напряжение гидростатического давления или просто давление в данной точке.

Единица измерения давления в системе СИ Па=Н/м². В системе МКГСС – кгс/м²

1 атмосфера физическая (1 атм) = 760 мм рт. ст. = 10,33 м вод. ст.= 1,033 кгс/см²=10330 кгс/м²=101300 Па ≈0,1 МПа.

Приборы для измерения давления (манометры и вакуумметры) показывают не абсолютное давление Р_абс внутри замкнутого объема, а разность между абсолютным и атмосферным или барометрическим давлением Р_атм. Эту разность называют избыточнымР_изб, если давление в объеме превышает атмосферное, и разрежением или вакуумом Р_вак, если оно ниже атмосферного.

Р_абс=Р_изб+Р_атмР_абс=Р_атм–Р_вак