ЛЕКЦІЯ №2

ЛЕКЦІЯ №2

Розділ І. Фізичні властивості рідин і газів. Явище кавітації

План.

1. Рідина і сили, що діють в ній

2. Фізичні властивості рідини

3. Поняття густини - питомої маси рідини, питомої ваги. Одиниці вимірювання в СІ.

4. Стиснення, температурне розширення та поверхневий натяг рідин, параметри, що характеризують їх.

5. В’язкість рідини, одиниці вимірювання в СІ. Конструкція візкозиметру (капілярного, віскозиметр Енглера, та ротаційного).

6. Явище кавітації

1. Рідина і сили, які діють в ній

Рідиною в гідравліці називають фізичне тіло здатне змінювати свою форму при впливі на неї яких завгодно малих сил . Розрізняють два види рідин: рідини краплинні и рідини газоподібні (рис. 1.2) Краплинні рідини являють собою рідини в звичайному, загальноприйнятому розумінні цього слова (вода, нафта, газ, масло и т.д.). Газоподібні рідини – гази, у звичайних умовах являють собою газоподібні речовини (пропан і т.д.).

Основною відмінною рисою краплинних і газоподібних рідин є здатність стискатися (змінювати обсяг) під впливом зовнішніх сил. Краплинні рідини (надалі просто рідини) важко піддаються стисненню, а газоподібні рідини (гази) стискаються досить легко, тобто при впливі невеликих зусиль здатні змінити свій обсяг в декілька разів (рис. 1.3).

В гідравліці рідина на відміну від реальної рідини не володіє внутрішнім тертям, а також тертям об стінки судин і трубопроводів, по яких вона рухається. Ідеальна рідина також володіє абсолютною стисливістю. Така рідина не існує в дійсності, і була придумала для полегшення і спрощення ряду теоретичних висновків і досліджень. На рідину постійно впливають зовнішні сили які поділяють на масові і поверхневі.

Масові: сили тяжіння і інерції. Сила тяжіння в земних умовах діє на рідину постійно, а сила інерції тільки при повідомлені об’єму рідини прискорень (позитивних або негативних)

Поверхневі: обумовлені впливом сусідніх обсягів рідини на даний обсяг або впливом інших тіл.

Розглянемо посудину, наповнену рідиною. Якщо виділити в ньому нескінченно малий об'єм рідини, то на цей обсяг будуть діяти сили з боку сусідніх таких же нескінченно малих обсягів (рис.1.4). Крім того на вільну поверхню рідини діє сила атмосферного тиску р_атм. і сили з боку стінок посудини.

Якщо на рідину діє якась зовнішня сила, то говорять, що рідина знаходиться під тиском. Зазвичай, для визначення тиску рідини, викликаного впливом на неї поверхневих сил, застосовується формула.

1.1

де F – сила сила, що діє на рідину, Н (Ньютон);

S – площа, на яку діє ця сила, м ² (кв.метр).

Якщо тиск Р відраховують від абсолютного нуля, то його називають абсолютним тиском р_абс.Якщо тиск відраховують від атмосферного, то воно називається надлишковим Р хат. Атмосферний тиск постійно р _а= 103 кПа (рис.1.5).

За одиницю тиску в Міжнародній системі одиниць (СІ) прийнятий паскаль - тиск викликається силою 1 Н, рівномірно розподіленим по нормальній до неї поверхні площею 1 м²:

Розмірність тиску позначається як «Па» (Паскаль), «кПа» (Кілопаскаль), «МПа» (мегапаскалях). У техніці в даний час продовжують застосовувати систему одиниць МКГСС, в якій за одиницю тиску приймається 1/м².

Механічні характеристики та загальні властивості рідин

Загальні механічні характеристики

Однією з основних механічних характеристик рідини є її щільність(питома маса). Щільністю рідини називають масу рідини, укладено в одиниці об’єму.

Питомою вагою називають вагу одиниці об’єму рідини, який визначається формулою:

Зі збільшенням температури питома вага рідини зменшується.

Загальні фізичні властивості

Стислість – властивість рідині змінювати свій обсяг під дією тиску. Стислість рідини характеризується коефіцієнтом об’ємного стиснення, який визначається за формулою:

де V – початковий об'єм рідини, dV – зміна цього об’єму, при збільшенні тиску на величину dP.

Величина зворотна β_V називається модулем об’ємної пружності рідини:

Модуль об’ємної пружності не постійний і залежить від тиску температури. При гідравлічних розрахунках стисливістю рідини зазвичай нехтують і вважають рідини практично нестисливими. Стиснення рідин в основному обумовлено стиснення розчиненого в них газу.

Стисливість знижує жорсткість гідроприводу, тому, на стиск затрачається енергія. Стисливість може з’явитися причиною виникнення автоколивань в гідросистемі, створю запізнювання в спрацьовуванні гідроапаратури і виконавчих механізмах.

Іноді стискальність рідин корисна – її використовують в гідравлічних амортизаторах і пружинах.

Температурне розширення – відносна зміна обсягу рідини при збільшенні температури 1°С при р = const. Характеризується коефіцієнтом температурного розширення

Оскільки для крапельних рідин коефіцієнт температурного розширення мізерно малий, то при практичних розрахунках його не враховують.

Пружність — це властивість рідини поновлювати свій об'єм після припинення дії сил. її описує об'ємний модуль пружності

Для води Е= 2000 МПа ≈20 000 кгс/см², тобто зі зміною тиску на 1 кгс/см² об'єм води змінюється всього на 1/20 000 частини. Приблизно таке ж значення об'ємного модуля пружності мають інші рідини. Тому вважають, що рідини практично нестисливі. Об'ємний модуль пружності при обчисленнях беруть до уваги лише при високих тисках, великих об'ємах та у випадку гідравлічного удару.

Стисливість газів, на відміну від рідин, має велике значення. Для ідеального газу (таким можна вважати будь-який газ при тиску до 10 МПа) діє закон Клапейрона—Менделєєва

(1.7)

pV=MRT,

де р - _ТИСК; V — об'єм; М — маса; Т — абсолютна температура газу; R — універсальна газова стала. Для повітря R = 287 Дж/кг·К, для природного газу — 520 Дж/кг·К.

Ураховуючи, що питома маса p=M/V, отримаємо

Для реальних газів (це гази при тиску більше 10 МПа) можна користуватися формулами

де z — коефіцієнт стиснення газів. Значення коефіцієнтів Z при t = 50 °С:

Тиск , МПа	10	20	30	40
Z	1,02	1,08	1,16	1,26

3. Опір розтягуванню. Особливими фізичними дослідами було показано, що спочиваюча рідина (зокрема вода, ртуть) іноді здатна чинити опір дуже великим розтягуючим зусиллям. Але в звичайних умовах такого не відбувається, і тому вважають, що рідина не здатна чинити опір розтягуючим зусиллям.

4. Сили поверхневого натягу – ці сили прагнуть надати сферичну форму рідини. Сили поверхневого натягу обумовлені поверхневими силами спрямовані завжди всередину розглянутого обсягу перпендикулярно вільної поверхні рідини. Розглянемо нескінченно малий об'єм рідини на вільній поверхні. На нього будуть діяти сили зі сторони сусідніх об’ємів. В результаті, якщо скласти вектора всіх сил діючих на розглянутий обсяг, то сумарна складова сила буде направлена перпендикулярно всередину розглянутого об’єму.

5. В`язкіть рідини – властивість рідини чинити опір ковзання або зрушенню її шарів. Суть її полягає у виникненні внутрішньої сили тертя між рухомими шарами рідини, яка визначається за формулою Ньютона

де S – площа шарів рідини або стінки дотичної з рідиною,

м², µ - динамічний коефіцієнт в'язкості, або сила в'язкісного тертя,

dυ/dy – градієнт швидкості, перпендикулярний до поверхні зсуву.

Звідси динамічна в'язкість дорівнює

де τ- дотична напруга рідини, τ= Т/Ѕ

При перебігу в’язкої рідини уздовж твердої стінки відбувається гальмування потоку, обумовлене в’язкістю (рис. 1.7.). Швидкість u зменшується по мірі зменшення відстані y від стінки. При цьому при y = 0, швидкість u падає до нуля (u = 0), а між шарами відбувається прослизання, що супроводжується виникненням дотичних напружень t.

Величина зворотна динамічному коефіцієнту в'язкості (1/m) називається плинністю рідини.

Ставлення динамічного коефіцієнта в'язкості до щільності рідини називається кінематичним коефіцієнтом в'язкості:

Величина n (вимовляється «Ню») рівна 1см²/с називається Стокса (Ст), а 0,01 Ст - 1 сантістоксах (сСт)

Процес визначення в’язкості називається віскозиметр, а прилади, якими вона визначається віскозиметрами. Крім оцінки в'язкості за допомогою динамічного і кінематичного коефіцієнтів користуються умовною в'язкістю - градуси Енглер (° Е). В'язкістю, вираженої в градусах Енглер, називається відношення часу витікання 200 см³ випробуваної рідини через капіляр d = 2,8 мм до часу закінчення такого ж об'єму води при t = 20⁰С .

Такий прилад називається віскозиметром Енглер. Для перерахунку градусів Енглер в Стокси для мінеральних мастил застосовується формула

Таким чином, для оцінки в'язкості рідини можна використовувати три величини, які пов'язані між собою.

В'язкість рідини залежить від температури і від тиску. При підвищенні температури в'язкість рідини зменшується і навпаки. Угазів спостерігається зворотне явище: з підвищенням температури в'язкість збільшується, з пониженням температури - зменшується.

Кавітація

У деяких випадках при русі рідини в закритих руслах відбувається явище, пов'язане зі зміною агрегатного стану рідини, тобто перетворення її в пару з виділенням з рідини розчинених в ній газів.

Наочно це явище можна продемонструвати на простому пристрої, що складається з труби, на окремій ділянці якої встановлена прозора трубка Вентурі (рис. 4.2.). Вода під тиском рухається від перетину 1-1 через перетин 2-2 до перетину 3-3. малюнка, перетин 2-2 має менший діаметр. Швидкість течії рідини в трубі можна змінювати, наприклад, встановленим після перетину 3-3 краном.

При невеликій швидкості ніяких видимих змін в русі рідини не відбувається. При збільшенні швидкості руху рідини в
вузькому перерізі трубки Вентурі 2-2 з'являється виразна зона з утворенням пухирців газу. Утворюється область місцевого кипіння, тобто утворення пари з виділенням розчиненого у воді газу. Далі при підході рідини до перетину 3-3 це явище зникає.

Це явище обумовлено наступним. Відомо, що при русі рідкої або газоподібного середовища, тиск у ній падає. Причому, чим вище швидкість руху середовища, тим тиск в ній нижче. Тому, при плині рідини через місцеве звуження 2-2, згідно з рівнянням нерозривності течій (3.4), збільшується швидкість з одночасним падінням тиску в цьому місці. Якщо абсолютний тиск при цьому досягає значення рівного тиску насичених парів рідини при даній температурі або значення рівного тиску, при якому починається виділення з неї розчинних газів, то в даному місці потоку спостерігається інтенсивне пароутворення (кипіння) і виділення газів. Таке явище називається кавітацією.

При подальшому русі рідини до перетину 3-3, бульбашки виникають, тобто відбувається різке зменшення їх розмірів. У той час, коли бульбашка зникає (схлопується), в точці його схлопування відбувається різке збільшення тиску, який передається на сусідні обсяги рідини і через них на стінки трубопроводу. Таким чином, від таких численних місцевих підвищень тисків (гідроударів), виникає вібрація.

Таким чином, кавітація - це місцеве порушення суцільності течії з утворенням парових і газових міхурів (каверн), обумовлене місцевим падінням тиску в потоці.

Кавітація в звичайних випадках є небажаним явищем, і її не слід допускати в трубопроводах та інших елементах гідросистем. Кавітація виникає в кранах, вентилях, засувках, жиклерах і т.д.

Кавітація може мати місце в гідромашин (насосах і гідротурбінах), знижуючи при цьому їх коефіцієнт корисної дії, а при тривалому впливі кавітації відбувається руйнування деталей,схильних до вібрації. Крім цього руйнуються стінки трубопроводів, зменшується їхня пропускна здатність внаслідок зменшення живого перерізу труби.

Кавітаційна бульбашка, рухаючись з потоком рідини в область з вищим тиском, дезінтегрує, створюючи ударну хвилю (імпульс адекватний гідравлічному удару). Це призводить до кавітаційної корозії — руйнування поверхні металу, спричинене одночасною дією ударних тисків у рідині (тріскання бульбашок, каверн) і корозії або кавітаційного зношування як різновиду механічного зношування.

Кавітація викликає також вібрацію, зменшення к.к.д. і, таким чином, зменшення ефективності роботи насосів, турбін тощо. Кавітація в насосах відбувається при падінні тиску на вході в насос. В лопатевих насосах кавітація супроводжується зменшенням подачі, напору, потужності і к.к.д. внаслідок того, що частина порожнини робочого колеса заповнюється парою.

Теорія: Взаємодія між молекулами шарів, що торкаються, є причиною того, що вони рухаються з різними швидкостями. Сили, які гальмують відносне переміщення шарів рідини, називають силами внутрішнього тертя. Внутрішнє тертя характеризується динамічною в'язкістю . В СІ вимірюється в Па с і його можна визначити дослідним шляхом за допомогою віскозиметрів.

Віскозиметр - прилад для визначення в´язкості. Найбільш поширені капілярні, ротаційні, з кулькою, що рухається, ультразвукові.

Капілярний віскозиметр являє собою U - образну трубку, в коліно якої впаяний капіляр 7.

При вимірюванні в´язкості рідина із вимірювального резервуара 4 тече по капіляру 7 в приймальний сосуд 6. 1,2- коліна віскозиметра. 3- відвідна трубка, до якої приєднується або гумова груша, або водоструйний насос.

Принцип дії капілярного віскозиметра полягає в повільному витіканні рідини з резервуару через капіляр під дією різниці тисків ( в початковий момент рівень рідини в одному коліні, вище, ніж в іншому).

При роботі з найпростішим віскозиметром визначають час витікання рідини з резервуару приладу( це час опускання меніска рідини від мітки М1 до мітки М2). Якщо дві рідини густина яких , з динамічною в'язкістю, одного об'єму витікають під дією сили тяжіння крізь одну і ту ж трубку за час, тоді:

Висновки.

Рідина – фізичне тіло, що має властивість текучості, тобто властивість необмежено змінювати свою форму під дією навіть дуже малих сил, але на відміну від газів практично не змінює свій об’єм при зміні тиску.

Основні фізичні властивості рідини: густина, питома вага, температурне розширення і в’язкість.

Питання і завдання для самоперевірки