В чем измеряется текучесть жидкости

Жидкость – физическое тело, которое обладает , т. е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму.Текучесть жидкости обусловлена подвижностью молекул, составляющих жидкость.

Жидкостью называется агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкость характеризуется следующими свойствами: 1) сохраняет объем; 2) образует поверхность; 3) обладает прочностью на разрыв; 4) принимает форму сосуда; 5) обладает текучестью. Свойства жидкости с 1) по 3) подобны свойствам твёрдых тел, а свойство 4) – свойству жидкости.

Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике (), делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые – капельные жидкости.

В гидравлике рассматриваются как идеальные, так и реальные жидкости.

Идеальная жидкость – жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого такая жидкость не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Идеальная жидкость совершенно не сжимается, она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия. Такой жидкости в природе не существует – это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.

Реальная жидкость – жидкость, которая не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается. Для решения многих задач гидравлики этим отличием в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь. В связи с этим физические законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками.

Ниже кратко представлены общие сведения, касающиеся . Конкретные физические свойства разных жидкостей находятся в подразделах нашего сайта. Эти разделы будут постепенно пополняться новой информацией, которая, возможно, окажется полезной инженерам и конструкторам при проведении расчетов.

Плотность жидкости

Килограмм на кубический метр [кг/м 3 ] равен , масса которого при объёме 1 м 3 равна 1 кг.

dm – масса элемента жидкости, объёмом dV;

dV – объём элемента жидкости.

Динамическая вязкость жидкости

F – сила внутреннего трения жидкости.

ΔS – площадь поверхности слоя жидкости, на которую рассчитывается сила внутреннего трения.

– величина, обратная градиенту скорости жидкости.

Паскаль-секунда [Па • с] равна , касательное напряжение в которой при ламинарном течении на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равно 1 Па.

Поверхностное натяжение жидкости

dF – сила, действующая на участо контура свободной поверхности нормально к контуру и по касательной к поверхности к длине dl этого участка.

dl – длина участка поверхности жидкости.

Ньютон на метр [Н/м] равен , создаваемому силой 1 Н, действующей на участок контура свободной поверхности длиной 1 м нормально к контуру и по касательной к поверхности.

Кинематическая вязкость жидкости

μ – динамическая вязкость жидкости;

ρ – плотность жидкости;

Квадратный метр на секунду [м 2 /с] равен с динамической вязкостью 1 Па с и плотностью 1 кг/м 3 .

Коэффициент теплопроводности жидкости

S – площадь поверхности;

Q – количество теплоты [Дж], перенесённое за время t через поверхность площадью S.

– величина, обратная градиенту температуры жидкости.

Ватт на метр-Кельвин [Вт/(м • К)] равен , в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока 1 Вт/м 2 устанавливается температурный градиент 1 К/м.

Теплоемкость жидкости

dQ – количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости;

dT – разность температуры.

Джоуль на Кельвин [Дж/К] равен , температура которого повышается на 1 К при подведении к нему количества теплоты 1 Дж.

Удельная массовая теплоемкость жидкости при постоянном давлении

Джоуль на килограмм-Кельвин [Дж/(кг • К)] равен , имеющего при массе 1 кг теплоемкость 1 Дж/К.

Температуропроводность жидкости

λ – теплопроводность жидкости;

Cp – удельная массовая теплоемкость жидкости.

ρ – плотность жидкости.

Квадратный метр на секунду [м 2 /с] равен с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/(м К), удельной теплоемкостью при постоянном давлении 1 [Дж/(кг • К) и плотностью 1 кг/м 3 .

Текучесть и вязкость. Молекулы жидкости не так жестко связаны между собой, как в твердом веществе, и не так свободны, как в газах. В постоянном ограниченном объеме, заполненном жидкостью, любая ее молекула может занимать любое положение. Текучестью жидкости называют ее способность неограниченно деформироваться под действием приложенной силы.

Вязкость – внутреннее трение, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Основной закон вязкого течения был установлен И. Ньютоном:

где т – касательные напряжения жидкости (сила внутреннего трения в жидкости на единицу площади);

– градиент скорости в направлении, перпендикулярном течению (быстрота ее изменения от слоя к слою), иначе – скорость сдвига (см. рис. 1.1);

/и, Па с – коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом динамической вязкости. Знак «плюс» или «минус» в формулах принимается в зависимости от знака градиента скорости. Динамическая вязкость измеряются в паскаль-секундах (ранее – в пуазах), 1 П = 0,1 Нс/м 2 = 0,1 Пас.

Рис. 1.1. Эпюра распространения скоростей в канале [32]

Наряду с динамической вязкостью (ju) часто рассматривают кинематическую вязкость (v):

Кинематическая вязкость измеряется в м 2 /с и см 2 /с, ранее использовались стоксы, 1 Ст = НСГ 4 м 2 /с. Кинематическая вязкость некоторых жидкостей приведена в табл. 1.1.

Природа вязкости жидкости и газа не одинакова. В жидкости повышение температуры (кинетической энергии молекул) ослабляет межмолекулярные связи и способствует снижению динамической вязкости. С увеличением температуры вязкость капельной жидкости уменьшаетс я. Для чистой воды зависимость вязкости от температуры может быть выражена формулой Пуазейля:

где 0,0178* 10^ м 2 /с – вязкость воды при 0 °С.

Кинематическая вязкость некоторых жидкостей (у) [32]

Хлористый натрий (26%-й раствор)

В газах с повышением температуры также усиливается диффузия, но именно это усиление обмена импульсами через плоскость сдвига определяет рост динамической вязкости газов.

Вязкость жидкостей измеряют с помощью приборов вискозиметров. Наиболее распространены вискозиметры капиллярные, ротационные, с падающим шариком, ультразвуковые.

В простом полевом вискозиметре, основанном на принципе истечения, в воронку наливается, например, глинистый раствор объемом 500 см 3 , вязкость которого следует установить. Измеряются температура и время истечения из воронки исследуемого раствора tp затем наливается в воронку дистиллированная вода при такой же температуре (обычно 20 °С), и определяется время ее истечения te. Отношение tp/te и есть относительная вязкость (для глинистых растворов она всегда больше 1).

Для нефтепродуктов применяются вискозиметры Энглера, и вязкость приводится во внесистемных единицах – градусах Энглера (°Е). Вязкостью, выраженной в градусах Энглера, называется отношение времени истечения 200 см 3 испытуемой жидкости через капилляр d = 2,8 мм ко времени истечения (7) такого же объема воды при t = 20 °С:

где

Перевод условных единиц в единицы кинематической вязкости возможен по формуле У бел л оде:

Для неньютоновских (бингемовских) жидкостей соотношение между касательными напряжениями г и градиентом скорости описывается формулой Шведова-Бингема:

где го – касательное напряжение в состоянии покоя или начальное напряжение сдвига, рс – коэффициент структурной вязкости. Касательное напряжение и коэффициенты структурной вязкости некоторых растворов приведены в табл. 1.2.

Касательное напряжение (г) и коэффициенты структурной вязкости (рс) некоторых растворов [32]

Nav view search

Навигация

Искать

Свойства жидкостей

Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 05.11.2014 12:37 Просмотров: 11969

Жидкость – агрегатное состояние вещества, занимающее промежуточное положение между его твёрдым и газообразным состояниями.

Самая распространённая жидкость на Земле – вода. Её твёрдое состояние – лёд, а газообразное – пар.

В жидкостях молекулы расположены почти вплотную друг к другу. Они обладают большей свободой, чем молекулы твёрдого вещества, хотя полностью свободно перемещаться не могут. Притяжение между ними хоть и слабее, чем в твёрдых телах, но всё-таки его достаточно, чтобы молекулы удерживались на близком расстоянии друг от друга. Каждая молекула жидкости может колебаться около какого-то центра равновесия. Но под действием внешней силы молекулы могут перескакивать на свободное место в направлении приложенной силы. Этим объясняется текучесть жидкости.

Текучесть

Основное физическое свойство жидкости – текучесть. Когда к жидкости прикладывается внешняя сила, в ней возникает поток частиц, направление которого совпадает с направлением этой силы. Наклонив чайник с водой, мы увидим, как вода потечёт из его носика вниз под действием силы тяжести. Точно так же вытекает вода из лейки, когда мы поливаем растения в саду. Подобное явление мы наблюдаем в водопадах.

Вследствие текучести жидкость способна менять форму за малое время под действием даже небольшой силы. Все жидкости могут литься струёй, разбрызгиваться каплями. Их легко перелить из одного сосуда в другой. При этом они не сохраняют форму, а принимают форму того сосуда, в котором находятся. Это свойство жидкости используют, например, при литье металлических деталей. Расплавленный жидкий металл разливают в формы определённой конфигурации. Остывая, он превращается в твёрдое тело, сохраняющее эту конфигурацию.

Текучесть увеличивается с ростом температуры жидкости и уменьшается при её снижении. Это объясняется тем, что с повышением температуры расстояние между частицами жидкости также увеличивается, и они становятся более подвижными. Зависит текучесть и от структуры молекул. Чем сложнее их форма, тем меньшей текучестью обладает жидкость.

Вязкость

Различные жидкости имеют разную текучесть. Так, вода из бутылки вытекает быстрее, чем растительное масло. Мёд из стакана выливается медленнее, чем молоко. На эти жидкости действуют одинаковые силы тяжести. Так почему же их текучесть отличаются? Всё дело в том, что они обладают различной вязкостью. Чем выше вязкость жидкости, тем меньше её текучесть.

Что же такое вязкость, и какова её природа? Вязкость также называют внутренним трением. Это способность жидкости сопротивляться перемещению различных слоёв жидкости относительно друг друга. Молекулы, находящиеся в одном из слоёв и сталкивающиеся между собой во время теплового движения, сталкиваются ещё и с молекулами соседних слоёв. Возникают силы, тормозящие их движение. Они направлены в сторону, противоположную движению рассматриваемого слоя.

Вязкость – важная характеристика жидкостей. Её учитывают в различных технологических процессах, например, когда по трубопроводам необходимо перекачивать жидкость.

Вязкость жидкости измеряют с помощью прибора, называемого вискозиметром. Самым простым считается капиллярный вискозиметр. Принцип его действия не сложен. Подсчитывается время, за которое заданный объём жидкости протекает через тонкую трубочку (капилляр) под воздействием разности давлений на его концах. Так как известны диаметр и длина капилляра, разность давлений, то можно произвести расчёты на основании , согласно которому проходящий в секунду объём жидкости ( секундный объёмный расход) прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени её радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости .

где Q – секундный расход жидкости, м 3 /с;

р1 – р2 = ∆р – перепад давлений на концах капилляра, Па;

R – радиус капилляра, м;

d – диаметр капилляра, м;

ƞ – коэффициент динамической вязкости, Па/с;

l – длина капилляра, м.

Объём

Расстояние между молекулами внутри жидкости очень мало. Оно меньше размеров самих молекул. Поэтому жидкость очень трудно сжать механически. Так формулируется . На этой особенности жидкостей основана работа тормозных систем, гидравлических прессов и других гидравлических устройств.

Жидкость сохраняет свой объём, если не изменяются внешние условия (давление, температура). Но при нагревании объём жидкости увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Впрочем, здесь есть исключение. При нормальном давлении и повышении температуры от 0 до 4 о объём воды не увеличивается, а уменьшается.

Волны плотности

Сжать жидкость очень трудно. Но при изменении давления всё же возможно. И в этом случае меняется её плотность и объём. Если сжатие произойдёт в одном участке жидкости, то на другие участки оно будут передаваться постепенно. Это означает, что в жидкости будут распространяться упругие волны. Если плотность меняется слабо, то получаем звуковую волну. А если достаточно сильно, то возникает ударная волна.

Поверхностное натяжение жидкости

Явление поверхностного натяжения мы наблюдаем каждый раз, когда вода медленно капает из водопроводного крана. Сначала мы видим тонкую прозрачную плёнку, которая растягивается под тяжестью воды. Но она не рвётся, а охватывает небольшое количество воды и образует капельку, падающую из крана. Её создают силы поверхностного натяжения, которые стягивают воду в маленькое подобие шара.

Как возникают эти силы? В отличие от газа жидкость заполняет только часть объёма сосуда, в котором находится. Её поверхность – это граница раздела между самой жидкостью и газом (воздухом или паром). Со всех сторон молекулу, находящуюся внутри жидкости окружают другие молекулы той же жидкости. На неё действуют силы межмолекулярного воздействия. Они взаимно уравновешены. Равнодействующая этих сил равна нулю.

А на молекулы, находящиеся в поверхностном слое жидкости, силы притяжения со стороны молекул этой же жидкости могут действовать только с одной стороны. С другой стороны на них действуют силы притяжения молекул воздуха. Но так как они очень малы, ими пренебрегают.

Равнодействующая всех сил, действующих на молекулу, находящуюся на поверхности, направлена внутрь жидкости. И чтобы не оказаться втянутой в жидкость и остаться на поверхности, молекула совершает работу против этой силы. В результате молекулы верхнего слоя получают дополнительный запас потенциальной энергии. Чем больше поверхность жидкости, тем большее количество молекул находится там, и тем больше потенциальная энергия. Но в природе всё устроено так, что любая система старается свести свою потенциальную энергию до минимума. Следователь, существует сила, которая будет стремиться сократить свободную поверхность жидкости. Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

Натяжение поверхности жидкости очень велико. И чтобы его разорвать требуется довольно значительная сила. Ненарушенная поверхность воды может легко удерживать монету, лезвие бритвы или стальную иголку, хотя эти предметы значительно тяжелее воды. Сила тяжести, действующая на них, оказывается меньше силы поверхностного натяжения воды.

Наименьшую поверхность из всех геометрических объёмных тел имеет шар. Поэтому если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, то она принимает форму сферы. Такую форму имеют капли воды в невесомости. Мыльные пузыри или пузыри кипящей жидкости также стараются принять сферическую форму.

Смешиваемость

Жидкости могут растворяться друг в друге. Эта их способность называется смешиваемостью. Если поместить в один сосуд две смешиваемые жидкости, то в результате теплового движения их молекулы постепенно будут переходить через границу раздела. В результате произойдёт смешивание. Но не все жидкости могу смешиваться. Например, вода и растительное масло не смешиваются никогда. А воду и спирт смешать очень легко.

Адгезия

Все мы знаем, что гуси и утки выходят из воды сухими. Почему же их перья не намокают? Оказывается, у них есть специальная железа, которая выделяет жир, которым водоплавающие птицы при помощи клюва смазывают свои перья. И они остаются сухими, потому что вода стекает с них капельками.

Поместим каплю воды на пластинку из полистирола. Она принимает форму сплющенного шарика. Такую же каплю попробуем поместить на стеклянную пластинку. Мы увидим, что на стекле она растекается. Что же происходит с водой? Всё дело в том, что силы притяжения действуют не только между молекулами самой жидкости, но и между молекулами разных веществ в поверхностном слое. Эти силы называются силами адгезии (от латинского adhaesio – прилипание).

Взаимодействие жидкости с твёрдым телом называют смачиванием. Но поверхность твёрдого тела смачивается не всегда. Если окажется, что молекулы самой жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к твёрдой поверхности, то жидкость соберётся в капельку. Именно так ведёт себя вода на пластинке из полистирола. Она не смачивает эту пластинку. Точно так же не растекаются капельки утренней росы на листиках растений. И по этой же причине вода стекает с покрытых жиром перьев водоплавающих птиц.

А если притяжение молекул жидкости к твёрдой поверхности сильнее сил притяжения между самими молекулами, то жидкость расплывается на поверхности. Поэтому наша капелька на стекле также растеклась. В этом случае вода смачивает поверхность стекла.

Нальём воду в сосуд из полистирола. Посмотрев на поверхность воды, мы увидим, что она не горизонтальная. У краёв сосуда она искривляется вниз. Так происходит, потому что силы притяжения между молекулами воды больше, чем силы адгезии (прилипания). А в стеклянном сосуде поверхность воды у краёв искривляется вверх. В этом случае силы прилипания больше внутримолекулярных сил воды. В широких сосудах это искривление наблюдается только у стенок сосудов. А если сосуд узкий, то это искривление заметно по всей поверхности воды.

Явление адгезии широко используется в различных отраслях промышленности – лакокрасочной, фармацевтической, косметической и др. Смачивание необходимо при склеивании, крашении тканей, нанесении на поверхность красок, лаков. А при строительстве бассейнов их стенки, наоборот, покрывают материалом, который не смачивается водой. Такие же материалы используют для зонтов, плащей, непромокаемой обуви, тентов.

Капиллярность

Ещё одна интересная особенность жидкости – капиллярный эффект. Так называют её способность изменять свой уровень в трубках, узких сосудах, пористых телах.

Если опустить узкую стеклянную трубку (капилляр) в воду, то можно увидеть, как поднимается в ней водяной столбик. Чем уже трубка, тем выше столбик воды. Если опустить такую же трубку в жидкую ртуть, то высота столбика ртути окажется ниже уровня жидкости в сосуде.

Жидкость в капиллярах способна подниматься по узкому каналу (капилляру) только в том случае, если она смачивает его стенки. Так происходит в грунте, песке, стеклянных трубках, по которым легко поднимается влага. По этой же причине пропитывается керосином фитиль в керосиновой лампе, полотенце впитывает влагу от мокрых рук, происходят различные химические процессы. В растениях по капиллярам поступают к листьям питательные вещества и влага. Благодаря капиллярному эффекту возможна жизнедеятельность живых организмов.

Источник: automotogid.ru