Тема II. Физические свойства жидкостей

Лабораторная работа №1

Изучение физических свойств жидкостей

Цель работы: определить значения коэффициентов объемного рас­ширения p_t, кинематической v и динамической и. вязкости, поверхностного натяжения а, а также плотности жидкости р и концентрации раствора с; сравнить полученные данные с табличными значениями.

Общие сведения

Гидравлика - это техническая наука, изучающая законы равновесия и движения жидкости, способы приложения этих законов к решению прак­тических задач. Она обладает сравнительно простыми методиками расчета, по сравнению с теоретической механикой жидкости, где используется сложный математический аппарат. Но, несмотря на вышеуказанные упро­щения, гидравлика дает достаточную для технических приложений харак­теристику рассматриваемых явлений.

Исторически гидравлика является одной из самых древних наук в мире. Археологические исследования показывают, что гидравлические со­оружения, известные ныне только в виде рисунков, использовались в древ­нем Китае еще за 5000 лет до нашей эры. _х

Начало научного подхода к решению гидравлических задач отно­сится к эпохе Архимеда (250г. до н.э.), когда он открыл закон о равновесии тела, погруженного в жидкость. А как наука, гидравлика стала развиваться только в XVI - XVII веках, когда работы Галилея, Леонардо да Винчи, Па­скаля, Ньютона и др. создали серьезную основу для дальнейшего совер­шенствования гидравлики как науки.

Основополагающие работы академиков Петербургской академии на­ук Даниила Бернулли и Леонардо Эйлера (XVIII в), создали прочный фун­дамент, на котором основывается современная гидравлика.

В гидравлике рассматривают, главным образом, потоки жидкости, ограниченные и направленные твердыми стенками, т.е. течение в откры­тых и закрытых руслах. В понятие «русло» или «канал» включают по­верхности (стенки), которые ограничивают и направляют поток не только русла рек, каналов и лотков, но и различные трубопроводы, насадки, эле­менты гидромашин и других устройств, внутри которых протекает жид­кость.

В понятие «жидкость» включают все тела, для которых свойственна текучесть, т.е. способность сильно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Таким образом, в это понятие включают как жид­кости обычные (называемые капельными), так и газы. Первые отличаются тем, что в малом количестве под действием поверхностного натяжения принимают сферическую форму, а в большем - обычно образуют свобод­ную поверхность, поверхность раздела с газом.

К капельным относятся - вода, нефть, керосин, масло, ртуть и др. жидкости. В гидравлике в основном рассматриваются капельные жид­кости.

Все жидкости обладают механическими характеристиками и физии-ческими свойствами.

К физическим свойствам относятся - плотность, удельный вес, сжи­маемость, температурное расширение, сопротивление растяжению, силы поверхностного натяжения, вязкость, текучесть, пенообразование, химии-ческая и физическая стойкость, совместимость, испаряемость, раствори­мость газов в жидкости. '

Помимо указанных свойств вода обладает только ей присущими свойствами: - вода это единственное вещество в природе, которое в зем­ных условиях существует во всех трех агрегатных состояниях;

Плотность жидкости р (кг/м³) - это количество (масса т) вещества, содержащегося в единице объема V:

Р=7- (2.1.1)

Плотность р во всех точках однородной жидкости одинакова.

Плотность жидкостей и газов, зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с увеличением температуры. Плотность воды максимальна при t = 4°С и уменьшается как с понижением, так и с подъемом температуры от этого значения.

Удельный вес однородной жидкости у (Н/м³) — это отношение веса G жидкости к его объему V:

Y = £=Pg, (2.1.2)

где g - ускорение свободного падения g = 9£1м/с².

Сжимаемость - это свойство жидкостей изменять объем при изме­нении давления и оценивается коэффициентом объемного сжатия

pv (м²/Н)

представляющим относительное изменение объема жидкости V₀ при из­менении давления р на единицу:

Знак «минус» в формуле означает, что положительному приращению давления р соответствует уменьшение первоначального объема жидкости V„.

Сжимаемость воды весьма незначительна. При увеличении давления на 10⁵ Па (1 am = 98,1 кПа) объем воды уменьшается на 1/20000 первона­чального объема и в то же время ее сжимаемость примерно в 100 раз боль­ше сжимаемости стали.

Если при расчете гидротехнических сооружений обычно используют допущение о несжимаемости жидкости, то в случае возникновения возму­щения в гидравлических системах (например, при резком закрытии или от­крытии задвижек в трубопроводе) давление в жидкости значительно уве­личивается и тогда допущение о не сжимаемости жидкости неприемлемо.

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия, называется модулем упругости жидкости Е, Па:

Е=± (2.1.4)

Температурное (тепловое) расширение жидкости - это свойство жидкости изменять свой объем при нагревании и охлаждении; оно характе­ризуется коэффициентом температурного расширения (3_t, выражающим относительное увеличение объема жидкости V при увеличении температу­ры на 1 градус при постоянном давлении р = const и определяется по фор­муле:

• Р>-5>

У большинства жидкостей коэффициент p_t с увеличением давления уменьшается, у воды же с увеличением давления при температуре до 50°С p_t растет, а затем, при более высокой температуре - уменьшается.

У нефтепродуктов с уменьшением плотности от 920 до 700 кг/м³ ко­эффициент p_t увеличивается от 0,0006 до 0,0008.

При движении жидкости по направлению горизонтальной оси х, в поперечном сечении (например, по оси у) скорости v распределены нерав­номерно, т.е. наблюдается относительное смещение смежных слоев движу­щихся с разными скоростями. Такое перемещение слоев жидкости обус­ловлено возникновением сил сопротивления сдвигу по поверхности их со­прикосновения, вызываемыми вязкостью. Иначе говоря, вязкость - это свойство жидкости сопротивляться скольжению или сдвигу смежных сло­ев. Это явление описал И. Ньютон, сформулировавший закон вязкостного трения жидкости, согласно которому касательные напряжения, возникаю­щие при относительном смещении слоев, определяются по формуле:

x = ug. (2.1.6)

Здесь, в зависимости от выбора направления отсчета расстояний по нормали (от стенки рассматриваемой трубы или от ее оси), градиент ско­рости может быть положительным (расстояние отсчитывается от стенки) или отрицательным (расстояние отсчитывается от оси трубы). Знак в фо­рмуле принимают таким, чтобы касательное напряжение было положи­тельным.

В приведенной формуле коэффициент пропорциональности р., ха­рактеризующий особенности конкретных жидкостей, называется динами­ческой вязкостью жидкости. Коэффициент \х имеет размерность Пс.

Для чистой воды зависимость коэффициента динамической вязкости от температуры, предложенная Пуазейлем, имеет вид:

^ """ l+0,0337t+0,000221t²'

где Цо - динамическая вязкость при t = 0°С; t - температура, °С.

В гидравлических расчетах кроме динамической вязкости широко используют кинематическую вязкость, равную отношению динамической вязкости ji к плотности р:

v=£ (2.1.8) р

Название «кинематическая вязкость» отражает тот факт, что в раз­мерность v входят только кинематические, а не динамические величины.

Единицей кинематической вязкости в системе СИ принята единица м²/с, названная «стоке», - Хм²/с = 10⁴Ow = \0⁶сСт {сантистокс).

Кинематический коэффициент вязкости воды при температуре t(°C) вычисляется по формуле:

v = — -. (2.1.9)

1000+34t+0,22t^{2 v} '

Коэффициенты вязкости ц. и v не зависят от скорости течения, а оп­ределяются видом жидкости и температурой. С повышением давления вяз­кость несколько увеличивается, а с возрастанием температуры - сущест­венно уменьшается.

Жидкости, для которых справедлив закон внутреннего трения Нью­тона, называют ньютоновскими. Коллоидные суспензии, растворы полиме­ров, гидросмеси из глины, мела, цемента, сапропелей, илов, бетонные гид­росмеси, строительные растворы, кормовые смеси в сельском хозяйстве и т.п. относятся к неньютоновским жидкостям. В них касательные напряже­ния в состоянии покоя имеют значения т₀. Движение таких жидкостей на­чинается лишь после того, как внешней силой будет преодолено напря­жение т₀ и этим напряжением они отличаются от ньютоновских жидкос­тей.

Процесс определения вязкости называется вискозиметрией, а прибо­ры, которыми она определяется - вискозиметрами.

Текучестью жидкости, это способность жидкости неограниченно деформироваться под действием приложенной сколь угодно малой силы.

Свободная поверхность жидкости - это граница раздела между жидкостью и газом.

Поверхностное натяжение - это свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул. Поверхностное натяжение стремится сократить свободную поверхность жидкости и харак­теризуется коэффициентом поверхностного натяжения а, численно рав­ным силе на единицу длины контура свободной поверхности. Причем, эти силы направлены, внутрь рассматриваемого объема перпендикулярно свободной поверхности жидкости.

Поверхностное натяжение, как и вязкость, определяется видами жид­кости и газа над ее свободной поверхностью, примесями и температурой. Зависимость поверхностного натяжения а от температуры t(°C) для воды, соприкасающейя с воздухом имеет вид:

о= 10'³(76-0,15t),H/M. (2.1.10)

При движении жидкости (потока) к ней начинают присоединяться газообразные или твердые тела. В первом случае это явление называется аэрацией потока, во втором - наносонасыщением потока.

Описание устройства

Устройство для изучения физических свойств жидкости содержит 5 приборов, выполненных в общем прозрачном корпусе (рис 2.1), на кото­ром указаны параметры, необходимые для обработки опытных данных.

Термометр 1 показывает температуру окружающего воздуха, а соот­ветственно и температуру жидкостей, находящихся в приборах, На принципе работы термометра проводится лабораторная работа по опреде­лению коэффициента теплового расширения находящейся в ней жидкости.

Термометр имеет стеклянный баллон с капилляром, заполненный термометрической жидкостью и шкалу.

Ареометр 2 служит для измерения плотности (концентрации) жид­кости поплавковым методом. Он представляет собой пустотелый цилиндр с миллиметровой шкалой и грузом в его нижней части. Благодаря грузу ареометр находится в исследуемой жидкости в вертикальном положении.

Глубина погружения ареометра является мерой плотности жидкости и счи-тывается со шкалы по верхнему краю мениска жидкости вокруг поплавка ареометра (в обычных ареометрах шкала отградуирована сразу по плот­ности).

В искозиметр Стокса 3 представляет собой емкость трапециедаль-ного сечения, заполненную исследуемой жидкостью (индустриальное мас­ло 20) с находящимся в ней шариком имеющим плотность, отличную от плотности жидкости.

Прибор позволяет определить вязкость жидкости по времени паде­ния шарика.

Вискозиметр Оствальда 4 (капиллярный вискозиметр) состоит из емкости с капилляром. Вязкость определяется по времени истечения жид­кости из емкости через капилляр.

Сталагмометр 5 служит для определения поверхностного натяже­ния жидости методом отрыва капель и содержит емкость с капилляром, расширенным в его концевой части для накопления жидкости в виде кап­ли. Сила поверхностного натяжения в момент отрыва капли равна ее весу (сила тяжести) и поэтому определяется по плотности жидкости и числу ка­пель, полученному при опорожнении жидкости заданным объемом.