Жидкость и ее свойства; основные понятия и определения

Лекция 1. Жидкость и ее свойства. Основные понятия и определения. Гидравлика – наука, изучающая законы равновесий и движения различных жидкостей и методы применения этих законов для решения практических задач. Жидкость –– непрерывная среда, обладающая свойством текучести, т.е. способностью неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил. Под термином жидкость в гидравлике понимается не только капельная жидкость, но и газ, в тех случаях, когда его можно считать несжимаемым. Капельные –– это жидкости, встречающиеся в природе –– вода, нефть, ртуть и их производные. Все капельные жидкости оказывают большое сопротивление сжатию и мало изменяют при этом свой объем. Газообразные жидкости или просто газы изменяют свой объем при сжатии в значительной степени. Капельные жидкости, в дальнейшем просто жидкости, можно рассматривать как объект для перемещения и как рабочее тело гидропривода. Как объект перемещения жидкость определяет конструкцию, материалы машин и соответствующую инфраструктуру. Как рабочее тело гидропривода жидкость вторична по отношению к машине, где она используется ,т.е. машина определяет необходимые функции, свойства и виды рабочих жидкостей гидропривода. 1.1 Функции, свойства и виды рабочих жидкостей гидропривода Функции (жидкость должна осуществлять):  передачу энергии  охлаждение  смазку  защиту от коррозии  эвакуацию продуктов износа из зон трения Свойства (жидкость должна быть):  нетоксичной  пожаровзрывобезопасной  теплостойкой 1  химически стабильной  совместимой с материалами гидропривода  дешевой и доступной Виды рабочих жидкостей:  минеральные масла на нефтяной основе  синтетические жидкости  жидкости на водной основе с добавлением необходимых присадок 1.2 Силы действующие на жидкость. Силы, действующие на жидкость, подразделяются на внутренние и внешние. К внутренним относятся силы взаимодействия между частичками жидкости, к внешним – силы, действующие на частички данного объема со стороны других сред или вещественных тел. Так как мы будем считать, что жидкость представляет собой сплошное вещество без разрывов и пустот, то внутренние силы между частицами не будем рассматривать. Силы сцепления между частичками жидкости малы. Молекулы расположены на небольшом расстоянии друг от друга, они то притягиваются друг к другу, то, сблизившись, отталкиваются. Силы сцепления между молекулами проявляются только на поверхности жидкости – силы поверхностного натяжения. В свою очередь, внешние силы делятся на массовые и поверхностные. Массовые силы действуют на все частички объема жидкости и пропорциональным массе жидкости. К ним относятся силы тяжести, инерции, центробежные. Поверхностные силы действуют на поверхность объема жидкости и пропорциональны площади этой поверхности. Поверхностные силы –– силы давления, трения и поверхностного натяжения. Сжимающая сила, направленная по нормали к поверхности жидкости, называется силой давления. Касательная сила к поверхности жидкости называется силой трения. 2 Сила давления действует как в покоящейся, так и в движущейся жидкости. Силы трения –– только в движущейся жидкости. Нормальные сжимающие напряжения, возникающие в жидкости под действием силы давления, называется давлением, которое при равномерном распределении силы F по поверхности S равно: Единицей измерения давления в системе СИ является Н/м2 или Паскаль (Па). Кратными единицами измерения давления являются: 1 кПа = 103 Па; 1 МПа = 106 Па В технике используются внесистемные единицы давления –– техническая атмосфера 1 кгс/см2 = 9,8·104 Па 1 мм рт ст = 133,3 Па 1 ат = 1 кгс/см2 (техническая атмосфера) 1 атм = 760 мм рт ст (физическая атмосфера). зависимости абсолютное от принятого начала отсчета и относительное давления (см. рис. 1.1). Pизб P Pвак относительный «0» давления Pатм В абсолютный «0» давления Рис. 1.1 3 различают Абсолютное давление отсчитывается от абсолютного нуля давления, который наблюдается в космосе. Атмосферное давление Pатм (давление на поверхности Земли) является абсолютным давлением и для его измерения используют разнообразные барометры. Относительное давление отсчитывается от относительного нуля давления, за который принимается атмосферное давление. В этом случае различают избыточное давление Pизб –– превышение давления над атмосферным и вакуумметрическое давление Pвак –– недостаток давления до атмосферного. В расчетах величина Pизб берется со знаком «плюс», а величина Pвак со знаком «минус». Давление измеряется специальными приборами, называемыми в случае избыточного давления манометрами, а в случае вакуумметрического — вакуумметрами. 1.3 Физические свойства жидкостей 1.3.1) Плотность среды – масса жидкости, заключенная в единице объема вещества. Единицей измерения давления в системе СИ является кг/м3. Плотность, кг/м3 (при 4 ˚С) 1000 650 – 750 700 – 900 13600 800 Жидкость Вода Бензин Нефть Ртуть Спирт Плотность среды зависит как от температуры, так и от давления. Как правило, жидкости и газы расширяются с повышением температуры, а плотность их уменьшается. Исключение составляет только вода, плотность которой достигает максимума при 4 ˚С. Такая аномалия объясняется особенностями молекулярного строения воды. 1.3.2) Удельный вес – вес единицы объема тела к его объёму 4 γ=G/V=mg/V, [Н/м3] где g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2 1.3.3) Текучестью – свойство жидкости изменять свой объем под действием сколь угодно малых сил, благодаря чему она не имеет собственной формы и принимает форму сосуда, в который находиться; 1.3.4) Сжимаемость – это изменение объема жидкости под действием давления (ничтожно малое изменение объема при изменении давления или температуры). Данное свойство жидкости характеризуется коэффициентов сжимаемости: а Знак минус показывает, что при увеличении давления, объем жидкости уменьшается. - коэффициент сжимаемости большинства жидкостей лежит в пределах от 10-9 до 10-10 м2/Н. Жидкости несжимаемы) обладают и большим совершенно сопротивлением малым сжатию сопротивлением (практически растягивающим и касательным усилиям. Газы могут значительно уменьшаться в объеме под действием давления и неограниченно расширяться в отсутствии давления, т.е. они обладают хорошей сжимаемостью. Несмотря на это различие, законы движения капельных жидкостей и газов при определенных условиях можно считать одинаковыми. Модуль упругости: Е Еводы МПа 1.3.5) Температурное расширение – это свойство жидкости изменять свой объем под действием температуры. Данный температурным коэффициентом расширения: 5 параметр характеризуется где βt – коэффициент теплового расширения жидкости; βt=(1÷9)·10-4 ºС-1. Жидкость довольно значительно изменяет свой объем при нагреве или охлаждении, что ведет либо к росту ее давления или его падению в замкнутом объеме. Поэтому в гидроприводе необходимо предусматривать расширительнопополнительные емкости, куда жидкость поступает при нагреве и откуда жидкость забирается при охлаждении. 1.3.6) Вязкость жидкости — свойство сопротивляться сдвигу, скольжению ее слоев относительно друг друга; свойство обратное текучести жидкости. Вязкость возникает в жидкости вследствие действия сил молекулярного сцепления. При движении жидкости между её слоями возникают силы сопротивления сдвигу, которые проявляются в виде сил внутреннего трения, называемых силами вязкости. Следовательно, вязкость – свойство жидкости, обуславливающее возникновение в ней при её движении касательных напряжении. Величина внутреннего трения зависит от скорости течения жидкости (см. рис 2). Рассмотрим строго прямолинейный и параллельноструйный поток жидкости, в котором на слои действуют продольные силы трения. Выделим в потоке два слоя жидкости малой толщины, причем первый Рис. 2 движется со скоростью w1, а второй – w2 (w1> w2). По всей площади поверхности S соприкосновения слоев возникают парные силы трения T1 и T2, причем (|T1|=|T2|). Первый слой, движущийся с большей скоростью, за счет сил трения ускоряет движения второго слоя, а второй, наоборот, тормозит первый. В соответствии с гипотезой, высказанной И. Ньютоном в 1686 г. и экспериментально подтвержденной Н.П. Петровым 1883 г. сила продольного внутреннего трения, возникающая при относительном скольжении отдельных прямолинейных слоёв жидкости, прямо пропорциональна градиенту скорости и площади S поверхности соприкосновения слоёв. 6 Формула закона Ньютона для вязкого трения: Минус указывает на то, что касательные напряжения тормозят движение слоёв. Эта сила зависит от физических свойств жидкости и температуры и не зависит от давления. Касательное напряжение можно определить из формулы: Таким образом, τ определяется по формуле (закон вязкого трения Ньютона) откуда динамическая вязкость Единицей динамической вязкости является Па·с: Динамическая вязкость показывает, какую работу на единицу объемного расхода необходимо совершить для преодоления сил внутреннего трения. Единицей динамической вязкости был пуаз (П): 1 = 0,1 а·с. Кроме используется коэффициента динамической показатель кинематической вязкости вязкости, динамической вязкости к плотности жидкости: ν=μ/ρ, м2/с . 7 на практике равный широко отношению Единицей кинематической вязкости был принят стокс (Ст) 1 Ст = 10 -4 м2/с. Для чистой пресной воды зависимость динамической вязкости от температуры может выражена формулой Пуазейля: Вязкость капельной жидкости интенсивно падает с ростом ее температуры ввиду ослабевания сил молекулярного сцепления. Вязкость газа наоборот, растет с ростом температуры ввиду возрастания интенсивности броуновского движения молекул газа. Вязкость жидкости определяет ее смазывающую способность, т.е. толщину и прочность смазывающей пленки на трущихся поверхностях. С ростом температуры смазывающая способность жидкости уменьшается. Коэффициент кинематической вязкости определяется экспериментально в соответствии со стандартами и для большинства жидкостей является справочной величиной. Вязкость жидкости на практике можно определять при помощи вискозиметров (капиллярного, Стокса и т.д.). Наиболее простым способом определения вязкости является использование вискозиметра Стокса, который содержит цилиндрическую емкость, заполненную жидкостью, и шарик. Прибор позволяет определить кинематическую вязкость жидкости по времени падения шарика. При отсутствии справочных данных вязкость может быть рассчитана по полуэмпирическим уравнениям. Вязкость капельных жидкостей уменьшается с ростом температуры. Газы не оказывают сопротивления ни касательным, ни растягивающим усилиям и имеют малую вязкость. 1.3.7) Парообразование в жидкости. Кавитация Испарение жидкости — парообразование на свободной поверхности жидкости. Кипение жидкости — парообразование по всему объему 8 жидкости. Давление, при котором начинается парообразование называется давлением насыщенных паров. Известно, что температура кипения жидкости снижается при уменьшении атмосферного давления. Поэтому при снижении давления ниже атмосферного (при росте вакуума) в жидкости возможно ее закипание, а затем конденсация пара при росте давления. Это явление носит название кавитации, которая является вредным явлением и ведет к треску, шуму, ударам в гидромашинах, к эрозии их поверхностей, к снижению их подач, напоров и коэффициентов полезного действия. Вероятность появления кавитации растет с ростом скорости жидкости (давление ее падает при этом). Поэтому основным методом борьбы с кавитацией является поддержание достаточно высокого давления в жидкости путем снижения ее скорости, снижения сопротивления каналов, по которым она течет и т.д. Кавитация – кипение жидкости в гидравлических системах при достижения давления насыщенных паров. 1.3.8) Растворение газа в жидкости. Псевдокавитация Практически любой газ хорошо растворяется в жидкости и особенно при повышенном давлении. При снижении давления газ из растворенной фазы переходит в нерастворенную, вспенивая при этом жидкость. Это явление носит название псевдокавитации, которое является вредным и ведет также к нарушению работы гидромашин и снижению их КПД. Поэтому следует ограничивать контакт рабочей жидкости гидропривода с окружающим воздухом, предотвращая тем самым насыщение ее газом. Проявлением псевдокавитации является вспенивание прохладительных напитков при откупоривании сосудов, их содержащих. 9