Міністерство освіти і науки України
Вивчення гідравліки як теоретичної дисципліни
Зміст
Введення
Широке застосування гідравліки
Методи дослідження
Рідина як фізичне тіло
Вивчення реальних рідин і газів
Основні фізичні властивості рідин
Щільність рідини
Пружність
В'язкість
Список використаної літератури
Введення
Гідравліка являє собою теоретичну дисципліну, що вивчає питання, пов'язані з механічним рухом рідини в різних природних і техногенних умовах. Оскільки рідина (і газ) розглядаються як безперервні і неподільні фізичні тіла, то гідравліку часто розглядають як один з розділів механіки так званих суцільних середовищ, до яких прийнято відносити і особливе фізичне тіло - рідина. З цієї причини гідравліку часто називають механікою рідини або гідромеханікою; предметом її досліджень є основні закони рівноваги і руху рідин і газів. Як в класичній механіці в гідравліці можна виділити загальноприйняті складові частини: гідростатику, що вивчає закони рівноваги рідини; кінематику, яка описує основні елементи рідини, що рухається і гідродинаміку, що вивчає основні закони руху рідини і розкриває причини її руху. Гідравліку можна назвати базової теоретичної дисципліною для широкого кола прикладних наук, за допомогою яких досліджуються процеси, що супроводжують роботу гідравлічних машин, гідроприводів. За допомогою основних рівнянь гідравліки та розроблених нею методів дослідження, вирішуються важливі практичні завдання, пов'язані з транспортом рідин і газів по трубопроводах, а також з транспортом твердих тіл по труб та інших руслах. Гідравліка також вирішує найважливіші практичні завдання, пов'язані з рівновагою твердих тіл в рідинах і газах, тобто вивчає питання плавання тіл.
Широке застосування гідравліки
Широке використання в практичній діяльності людини різних гідравлічних машин і механізмів ставлять гідравліку до числа найважливіших дисциплін, що забезпечують науково-технічний прогрес. Великий практичний інтерес до вивчення механіки рідини викликаний низкою об'єктивних факторів. В - перше, наявність у природі значних запасів рідин, які легко доступні людині. По-друге, рідкі тіла мають ряд корисних властивостей, що роблять їх зручними робочими агентами в практичній діяльності людини. Важливим слід вважати і той фактор, що більшість життєво важливих хімічних реакцій обміну протікають в рідкій фазі (найчастіше у водних розчинах). З цих причин особливий інтерес людина виявила до рідин на самій ранній стадії свого розвитку. Вода і повітря (інакше рідина і газ) були віднесені до числа основних стихій природи вже первісною людиною. Історія свідчить про успішне вирішення низки практичних завдань з використанням рідин вже на самих ранніх стадіях розвитку людини. Першим же науковою працею з гідравліки слід вважати трактат Архімеда «За плаваючих тілах» ( 250 г . до н. е..) - Однак надалі протягом кількох століть у розвитку людства настала епоха загального застою, коли розвиток знань і практичного досвіду знаходилися на досить низькому рівні. У наступну за цим епоху відродження почався бурхливий розвиток людських знань, науки, накопичення практичного досвіду. Нарівні з розвитком інших наук почала розвиватися і наука про вивчення взаємодії рідких тіл. Першими великими роботами в цій області слід вважати роботи Леонардо да Вінчі (1548-1620) - в області плавання тіл, руху рідин по трубах і каналах. У роботах Галілео Галілея (1564-1642) були сформульовані основні принципи рівноваги і руху рідини; роботи Еванджеліста Торрічеллі (1604 - 1647) були присвячені вирішенню завдань по закінченню рідини з отворів, а Блез Паскаль (1623 - 1727) досліджував питання по передачі тиску в рідини. Основоположні і узагальнюючі роботи в галузі механіки фізичних тіл, в тому числі і рідких, належать геніальному англійському фізику Ісааку Ньютону (1643 - 1727), який вперше сформулював основні закони механіки, закон всесвітнього тяжіння і закон про внутрішнє терті в рідинах при їх русі.
Розвитку гідромеханіки (гідравліки) як самостійної науки в значній мірі сприяли праці російських вчених Данила Бернуллі (1700 - 1782), Леонарда Ейлера (1707 - 1783), М.В. Ломоносова (1711 - 1765). Роботи цих великих російських вчених забезпечили справжній прорив в області вивчення рідких тел: вони вперше опубліковані диференціальні рівняння рівноваги і руху рідини Ейлера, закон збереження енергії Ломоносова, рівняння запасу питомої енергії в ідеальній рідині Бернуллі. Розвитку гідравліки як прикладної науки і зближенню методів вивчення теоретичних і практичних питань використовуваних гідравлікою і гідромеханікою сприяли роботи французьких учених Дарсі, Буссіне та інші, а також роботи Н.Є. Жуковського. Завдяки працям цих вчених, а також більш пізнім роботам Шезі, Вейсбаха, Прандля вдалося об'єднати теоретичні дослідження гідромеханіки з практичними та експериментальними роботами, виконаними в гідравліці. Роботи Базена, Пуазейля, Рейнольдса, Фруда, Стокса та ін розвинули вчення про динаміку реальної (в'язкої рідини). Диференціальне рівняння Нав'є - Стокса дозволило описати рух реальної рідини як функцію параметрів цієї рідини в залежності від зовнішніх умов.
Методи дослідження
Подальші роботи в галузі теоретичної та прикладної гідромеханіки були спрямовані на розвиток методів розв'язання практичних завдань, розвиток нових методів дослідження, нових напрямків: теорія фільтрації, газо-і аеродинаміка та ін При вирішенні практичних питань гідравліка оперує всіма відомими методами досліджень: методом аналізу нескінченно малих величин, методом середніх величин, методом аналізу розмірностей, методом аналогій, експериментальним методом.
· Метод аналізу нескінченно малих величин - найбільш зручний з усіх методів для кількісного опису процесів рівноваги і руху рідин і газів. Цей метод найбільш ефективний у тих випадках, коли доводиться розглядати рух об'єктів на атомно-молекулярному рівні, тобто в тих випадках, коли для виведення рівнянь руху доводиться розглядати рідина (або газ) з молекулярно-кінетичної теорії будови речовини. Основний недолік методу - досить високий рівень абстракції, що вимагає від читача великих знань в галузі теоретичної фізики і вміння користуватися різними методами математичного аналізу, включаючи векторний аналіз.
· Метод середніх величин - є більш доступним методом, оскільки його основні положення базується на простих (близьких до повсякденних) уявленнях про будову речовини. При цьому висновки основних рівнянь в більшості випадків не вимагають знань молекулярно-кінетичної теорії, а результати, отримані при дослідженнях, цим методом не суперечать «здоровому глузду» і здаються обгрунтованими. Недолік цього методу досліджень пов'язаний з необхідністю мати деякі апріорні уявлення про предмет досліджень. Метод аналізу розмірностей може розглядатися в якості одного з додаткових методів досліджень і передбачає всебічне знання досліджуваних фізичних процесів.
· Метод аналогій - використовується в тих випадках, коду є в наявності детально вивчені процеси, пов'язані з того ж типу взаємодії речовини, що й досліджуваний процес.
· Експериментальний метод є основним методом вивчення, якщо інші методи з яких-небудь причин не можуть бути застосовані. Цей метод також часто використовується як критерій для підтвердження правильності результатів отриманих іншими методами.
У кінцевому рахунку, метод вивчення руху рідини, а також рівень вивчення (макро або мікро) вибирається з умов практичної постановки завдань і співвідношення характерних розмірів. Основним мірилом для цих характерних розмірів може бути довжина вільного пробігу молекул. Так для вивчення руху рідини на макро рівні необхідно, щоб характерні розміри: L (деяка довжина) і d (ширина) по відношенню до довжини вільного пробігу молекул А, знаходилися у відповідності:
Рідина як фізичне тіло
Щоб уявити і правильно зрозуміти характер поведінки рідини в різних умовах необхідно звернутися до деяких уявленням класичної фізики про рідини як фізичному тілі. Не ставлячи перед собою мету детального і всебічного опису рідких тіл, що докладно у класичному курсі фізики, нагадаємо лише деякі положення, які можуть стати в нагоді при вивченні гідравліки як самостійної дисципліни. Так, згідно молекулярно-кінетичної теорії будови речовини всі фізичні тіла в природі (незалежно від їх розмірів) знаходяться в постійній взаємодії між собою. Ступінь (інтенсивність) взаємодії залежить від мас цих тіл і від відстані між тілами. Кількісною мірою взаємодії тіл є сила, яка пропорційна масі тіл і завжди буде спадати при збільшенні відстані між тілами. У залежності від розмірів тіл (елементарні частинки, атоми і молекули, макротела) характер взаємодії буде різним. Згідно класичним уявленням фізики можна виділити чотири види взаємодії тіл. Кожен вид взаємодії обумовлений наявністю свого переносника взаємодії. Два види взаємодії відносяться до типу дальнодіючих і повсякденно спостерігаються людиною: гравітаційне і електромагнітне. При електромагнітній взаємодії відбувається процес випромінювання і поглинання фотонів. Саме цей процес породжує електромагнітні сили, під дією яких протікають практично всі процеси в природі, які ми спостерігаємо. Характерною особливістю цього (електромагнітного) взаємодії є те, що її виявлення залежить від багатьох зовнішніх умов, які призводять до різних спостережуваних результатів. Так маючи одну й ту ж природу взаємодії (електромагнітну) ми вивчаємо, на перший погляд, зовсім різні фізичні процеси: рух рідини, тертя, пружність, передачу тепла, рух зарядів в електричному полі і т.д. І, як наслідок, диференціальні рівняння, що описують ці процеси, однакові. Згідно молекулярно-кінетичної теорії будови речовини молекули знаходяться в рівновазі і, як матеріальні об'єкти постійно взаємодіють один з одним. Така рівновага не можна вважати абсолютним, оскільки молекули перебувають у стані хаотичного руху (коливання) навколо центру свого рівноваги. Відстані між молекулами речовини буде залежати від величин сил діючих на молекули. Незалежно від природи діючих сил їх можна згрупувати на сили тяжіння і сили відштовхування. Умова рівноваги цих сил визначає оптимальні відстані між молекулами. Однак, у зв'язку з тим, що така рівновага між діючими силами є динамічною рівновагою, молекули перебувають у постійному коливальному русі щодо один одного, відчуваючи при цьому дія деякої рівнодіючої сили породжуваної силами тяжіння і відштовхування. Тому особливості стану речовини будуть залежати від співвідношення між кінетичною енергією коливального руху молекул речовини і енергією взаємодії між молекулами речовини. Так при великих масах молекул енергія взаємодії між молекулами набагато перевищує кінетичну енергію коливального руху речовини, внаслідок чого молекули речовини займають стійке положення відносно один одного, забезпечуючи тим самим сталість форми і розмірів макротела. Такі речовини, як відомо, відносяться до категорії твердих тіл. Протилежними особливостями характеризуються речовини, що складаються з «легких» молекул (молекул володіють малою масою). Такі речовини мають кінетичної енергією коливального руху молекул речовини перевищує багаторазово енергію взаємодії між молекулами, з яких речовина складається. З цієї причини молекули такого речовини мають дуже слабкий зв'язок між собою і легко переміщуються в просторі на будь-які відстані. Така властивість речовини носить назву дифузії (летючості). Речовини, що володіють ці властивістю, відносяться до категорії газів. У тих випадках, коли енергія взаємодії має той самий порядок, що і величина кінетичної енергії коливального руху молекул, останні мають властивість відносної рухливості, але, при цьому, зберігають цілісність самого макротела. Таке тіло має здатність легко деформуватися при мінімальних дотичних напруженнях, тобто таке тіло має плинністю. Насправді коливальний процес серед молекул рідких тіл достатньо складний, і з метою простого опису даного процесу можна намалювати спрощену картину взаємодії молекул рідини. Так на відміну від молекул у твердих тілах, при коливальному процесі в рідині центри взаємодії молекул можуть зміщуватися в просторі настільки, на скільки це допускають відстані між молекулами (до величини 1x10 "см). Зміщення центру рівноваги сил у просторі називається релаксацією. Час, за яке відбувається таке зміщення, називається часом релаксації, t 0. При цьому зміщення центру рівноваги здійснюється не поступово, а стрибком. Таким чином, час релаксації характеризує тривалість «осілого життя» молекул рідини. Якщо на рідина буде діяти деяка сила F, то при збігу лінії дії цієї сили з напрямком стрибка, рідина почне переміщатися. При цьому необхідне виконання додаткової умови: тривалість дії сили повинна бути більше тривалості часу релаксації t 0, тому що в противному випадку рідина не встигне почати свій рух, і буде випробовувати пружне стиснення подібно до твердого тіла. Тоді процес руху рідини буде характеризувати властивість плинності притаманне практично тільки рідким тілам. Тіла з такими властивостями відносяться до категорії рідких тіл. При цьому слід зазначити, що чітких і жорстких кордонів між твердими, рідкими і газоподібними тілами немає. Є велика група тел займають проміжне положення між твердими тілами і рідинами і між рідинами і газами. Взагалі говорити про стан речовини можна тільки при цілком певних зовнішніх умовах. В якості стандартних умов прийняті умови при температурі 20 ° С і атмосферному тиску. Стандартні (нормальні) умови цілком співвідносяться з поняттям сприятливих зовнішніх умов для існування людини. Поняття про стан речовини необхідно доповнити. Так при збільшенні кінетичної енергії молекул речовини (нагрівання речовини) тверді тіла можуть перейти в рідкий стан (плавлення твердого тіла) і тверді тіла придбають при цьому деякі властивості рідин. Подібно цьому збільшення кінетичної енергії молекул рідкої речовини може призвести рідину в газоподібний стан (пароутворення) і при цьому рідина буде мати властивості відповідні газам. Аналогічним способом можна перетворити розплавлене тверде тіло в пару, якщо в більшій мірі збільшити кінетичну енергію коливального руху молекул первісного твердої речовини. Зменшення кінетичної енергії молекул (охолодження речовини) призведе процес у зворотному напрямку. Газ може бути перетворений у рідкий, а, потім і в твердий стан.
Вивчення реальних рідин і газів
Вивчення реальних рідин і газів пов'язане зі значними труднощами, тому що фізичні властивості реальних рідин залежить від їх складу, від різних компонентів, які можуть утворювати з рідиною різні суміші як гомогенні (розчини) так і гетерогенні (емульсії, суспензії і ін) З цієї причини для виведення основних рівнянь руху рідини доводиться користуватися деякими абстрактними моделями рідин і газів, які наділяються властивостями невластивими природним рідин і газів. Ідеальна рідина - модель природної рідини, що характеризується изотропность всіх фізичних властивостей і, крім того, характеризується абсолютною нестисливості, абсолютної плинністю (відсутність сил внутрішнього тертя), відсутністю процесів теплопровідності і теплопереносу.
Реальна рідина - модель природної рідини, що характеризується изотропность всіх фізичних властивостей, але на відміну від ідеальної моделі, володіє внутрішнім тертям при русі. Ідеальний газ - модель, що характеризується изотропность всіх фізичних властивостей і абсолютної стискальністю. Реальний газ - модель, при якій на стисливість газу при умовах, близьких до нормальних умов істотно впливають сили взаємодії між молекулами. При вивченні руху рідин і газів теоретична гідравліка (гідромеханіка) широко користується поданням про рідини як про суцільну середовищі. Таке припущення цілком виправдано, якщо врахувати, що розміри простору займаного рідиною, у багато разів перевершують міжмолекулярні відстані (винятком можна вважати лише розряджений газ). При вивченні руху рідин і газів останні часто розглядаються як рідини з притаманними їм деякими особливими властивостями. У зв'язку з цим прийнято розрізняти дві категорії рідин: краплинні рідини (практично нестискувані тіла, або власне рідини) і стискувані рідини (гази).
Реферат
за темоюВивчення гідравліки як теоретичної дисципліни
Зміст
Введення
Широке застосування гідравліки
Методи дослідження
Рідина як фізичне тіло
Вивчення реальних рідин і газів
Основні фізичні властивості рідин
Щільність рідини
Пружність
В'язкість
Список використаної літератури
Введення
Гідравліка являє собою теоретичну дисципліну, що вивчає питання, пов'язані з механічним рухом рідини в різних природних і техногенних умовах. Оскільки рідина (і газ) розглядаються як безперервні і неподільні фізичні тіла, то гідравліку часто розглядають як один з розділів механіки так званих суцільних середовищ, до яких прийнято відносити і особливе фізичне тіло - рідина. З цієї причини гідравліку часто називають механікою рідини або гідромеханікою; предметом її досліджень є основні закони рівноваги і руху рідин і газів. Як в класичній механіці в гідравліці можна виділити загальноприйняті складові частини: гідростатику, що вивчає закони рівноваги рідини; кінематику, яка описує основні елементи рідини, що рухається і гідродинаміку, що вивчає основні закони руху рідини і розкриває причини її руху. Гідравліку можна назвати базової теоретичної дисципліною для широкого кола прикладних наук, за допомогою яких досліджуються процеси, що супроводжують роботу гідравлічних машин, гідроприводів. За допомогою основних рівнянь гідравліки та розроблених нею методів дослідження, вирішуються важливі практичні завдання, пов'язані з транспортом рідин і газів по трубопроводах, а також з транспортом твердих тіл по труб та інших руслах. Гідравліка також вирішує найважливіші практичні завдання, пов'язані з рівновагою твердих тіл в рідинах і газах, тобто вивчає питання плавання тіл.
Широке застосування гідравліки
Широке використання в практичній діяльності людини різних гідравлічних машин і механізмів ставлять гідравліку до числа найважливіших дисциплін, що забезпечують науково-технічний прогрес. Великий практичний інтерес до вивчення механіки рідини викликаний низкою об'єктивних факторів. В - перше, наявність у природі значних запасів рідин, які легко доступні людині. По-друге, рідкі тіла мають ряд корисних властивостей, що роблять їх зручними робочими агентами в практичній діяльності людини. Важливим слід вважати і той фактор, що більшість життєво важливих хімічних реакцій обміну протікають в рідкій фазі (найчастіше у водних розчинах). З цих причин особливий інтерес людина виявила до рідин на самій ранній стадії свого розвитку. Вода і повітря (інакше рідина і газ) були віднесені до числа основних стихій природи вже первісною людиною. Історія свідчить про успішне вирішення низки практичних завдань з використанням рідин вже на самих ранніх стадіях розвитку людини. Першим же науковою працею з гідравліки слід вважати трактат Архімеда «За плаваючих тілах» (
Розвитку гідромеханіки (гідравліки) як самостійної науки в значній мірі сприяли праці російських вчених Данила Бернуллі (1700 - 1782), Леонарда Ейлера (1707 - 1783), М.В. Ломоносова (1711 - 1765). Роботи цих великих російських вчених забезпечили справжній прорив в області вивчення рідких тел: вони вперше опубліковані диференціальні рівняння рівноваги і руху рідини Ейлера, закон збереження енергії Ломоносова, рівняння запасу питомої енергії в ідеальній рідині Бернуллі. Розвитку гідравліки як прикладної науки і зближенню методів вивчення теоретичних і практичних питань використовуваних гідравлікою і гідромеханікою сприяли роботи французьких учених Дарсі, Буссіне та інші, а також роботи Н.Є. Жуковського. Завдяки працям цих вчених, а також більш пізнім роботам Шезі, Вейсбаха, Прандля вдалося об'єднати теоретичні дослідження гідромеханіки з практичними та експериментальними роботами, виконаними в гідравліці. Роботи Базена, Пуазейля, Рейнольдса, Фруда, Стокса та ін розвинули вчення про динаміку реальної (в'язкої рідини). Диференціальне рівняння Нав'є - Стокса дозволило описати рух реальної рідини як функцію параметрів цієї рідини в залежності від зовнішніх умов.
Методи дослідження
Подальші роботи в галузі теоретичної та прикладної гідромеханіки були спрямовані на розвиток методів розв'язання практичних завдань, розвиток нових методів дослідження, нових напрямків: теорія фільтрації, газо-і аеродинаміка та ін При вирішенні практичних питань гідравліка оперує всіма відомими методами досліджень: методом аналізу нескінченно малих величин, методом середніх величин, методом аналізу розмірностей, методом аналогій, експериментальним методом.
· Метод аналізу нескінченно малих величин - найбільш зручний з усіх методів для кількісного опису процесів рівноваги і руху рідин і газів. Цей метод найбільш ефективний у тих випадках, коли доводиться розглядати рух об'єктів на атомно-молекулярному рівні, тобто в тих випадках, коли для виведення рівнянь руху доводиться розглядати рідина (або газ) з молекулярно-кінетичної теорії будови речовини. Основний недолік методу - досить високий рівень абстракції, що вимагає від читача великих знань в галузі теоретичної фізики і вміння користуватися різними методами математичного аналізу, включаючи векторний аналіз.
· Метод середніх величин - є більш доступним методом, оскільки його основні положення базується на простих (близьких до повсякденних) уявленнях про будову речовини. При цьому висновки основних рівнянь в більшості випадків не вимагають знань молекулярно-кінетичної теорії, а результати, отримані при дослідженнях, цим методом не суперечать «здоровому глузду» і здаються обгрунтованими. Недолік цього методу досліджень пов'язаний з необхідністю мати деякі апріорні уявлення про предмет досліджень. Метод аналізу розмірностей може розглядатися в якості одного з додаткових методів досліджень і передбачає всебічне знання досліджуваних фізичних процесів.
· Метод аналогій - використовується в тих випадках, коду є в наявності детально вивчені процеси, пов'язані з того ж типу взаємодії речовини, що й досліджуваний процес.
· Експериментальний метод є основним методом вивчення, якщо інші методи з яких-небудь причин не можуть бути застосовані. Цей метод також часто використовується як критерій для підтвердження правильності результатів отриманих іншими методами.
У кінцевому рахунку, метод вивчення руху рідини, а також рівень вивчення (макро або мікро) вибирається з умов практичної постановки завдань і співвідношення характерних розмірів. Основним мірилом для цих характерних розмірів може бути довжина вільного пробігу молекул. Так для вивчення руху рідини на макро рівні необхідно, щоб характерні розміри: L (деяка довжина) і d (ширина) по відношенню до довжини вільного пробігу молекул А, знаходилися у відповідності:
Рідина як фізичне тіло
Щоб уявити і правильно зрозуміти характер поведінки рідини в різних умовах необхідно звернутися до деяких уявленням класичної фізики про рідини як фізичному тілі. Не ставлячи перед собою мету детального і всебічного опису рідких тіл, що докладно у класичному курсі фізики, нагадаємо лише деякі положення, які можуть стати в нагоді при вивченні гідравліки як самостійної дисципліни. Так, згідно молекулярно-кінетичної теорії будови речовини всі фізичні тіла в природі (незалежно від їх розмірів) знаходяться в постійній взаємодії між собою. Ступінь (інтенсивність) взаємодії залежить від мас цих тіл і від відстані між тілами. Кількісною мірою взаємодії тіл є сила, яка пропорційна масі тіл і завжди буде спадати при збільшенні відстані між тілами. У залежності від розмірів тіл (елементарні частинки, атоми і молекули, макротела) характер взаємодії буде різним. Згідно класичним уявленням фізики можна виділити чотири види взаємодії тіл. Кожен вид взаємодії обумовлений наявністю свого переносника взаємодії. Два види взаємодії відносяться до типу дальнодіючих і повсякденно спостерігаються людиною: гравітаційне і електромагнітне. При електромагнітній взаємодії відбувається процес випромінювання і поглинання фотонів. Саме цей процес породжує електромагнітні сили, під дією яких протікають практично всі процеси в природі, які ми спостерігаємо. Характерною особливістю цього (електромагнітного) взаємодії є те, що її виявлення залежить від багатьох зовнішніх умов, які призводять до різних спостережуваних результатів. Так маючи одну й ту ж природу взаємодії (електромагнітну) ми вивчаємо, на перший погляд, зовсім різні фізичні процеси: рух рідини, тертя, пружність, передачу тепла, рух зарядів в електричному полі і т.д. І, як наслідок, диференціальні рівняння, що описують ці процеси, однакові. Згідно молекулярно-кінетичної теорії будови речовини молекули знаходяться в рівновазі і, як матеріальні об'єкти постійно взаємодіють один з одним. Така рівновага не можна вважати абсолютним, оскільки молекули перебувають у стані хаотичного руху (коливання) навколо центру свого рівноваги. Відстані між молекулами речовини буде залежати від величин сил діючих на молекули. Незалежно від природи діючих сил їх можна згрупувати на сили тяжіння і сили відштовхування. Умова рівноваги цих сил визначає оптимальні відстані між молекулами. Однак, у зв'язку з тим, що така рівновага між діючими силами є динамічною рівновагою, молекули перебувають у постійному коливальному русі щодо один одного, відчуваючи при цьому дія деякої рівнодіючої сили породжуваної силами тяжіння і відштовхування. Тому особливості стану речовини будуть залежати від співвідношення між кінетичною енергією коливального руху молекул речовини і енергією взаємодії між молекулами речовини. Так при великих масах молекул енергія взаємодії між молекулами набагато перевищує кінетичну енергію коливального руху речовини, внаслідок чого молекули речовини займають стійке положення відносно один одного, забезпечуючи тим самим сталість форми і розмірів макротела. Такі речовини, як відомо, відносяться до категорії твердих тіл. Протилежними особливостями характеризуються речовини, що складаються з «легких» молекул (молекул володіють малою масою). Такі речовини мають кінетичної енергією коливального руху молекул речовини перевищує багаторазово енергію взаємодії між молекулами, з яких речовина складається. З цієї причини молекули такого речовини мають дуже слабкий зв'язок між собою і легко переміщуються в просторі на будь-які відстані. Така властивість речовини носить назву дифузії (летючості). Речовини, що володіють ці властивістю, відносяться до категорії газів. У тих випадках, коли енергія взаємодії має той самий порядок, що і величина кінетичної енергії коливального руху молекул, останні мають властивість відносної рухливості, але, при цьому, зберігають цілісність самого макротела. Таке тіло має здатність легко деформуватися при мінімальних дотичних напруженнях, тобто таке тіло має плинністю. Насправді коливальний процес серед молекул рідких тіл достатньо складний, і з метою простого опису даного процесу можна намалювати спрощену картину взаємодії молекул рідини. Так на відміну від молекул у твердих тілах, при коливальному процесі в рідині центри взаємодії молекул можуть зміщуватися в просторі настільки, на скільки це допускають відстані між молекулами (до величини 1x10 "см). Зміщення центру рівноваги сил у просторі називається релаксацією. Час, за яке відбувається таке зміщення, називається часом релаксації, t 0. При цьому зміщення центру рівноваги здійснюється не поступово, а стрибком. Таким чином, час релаксації характеризує тривалість «осілого життя» молекул рідини. Якщо на рідина буде діяти деяка сила F, то при збігу лінії дії цієї сили з напрямком стрибка, рідина почне переміщатися. При цьому необхідне виконання додаткової умови: тривалість дії сили повинна бути більше тривалості часу релаксації t 0, тому що в противному випадку рідина не встигне почати свій рух, і буде випробовувати пружне стиснення подібно до твердого тіла. Тоді процес руху рідини буде характеризувати властивість плинності притаманне практично тільки рідким тілам. Тіла з такими властивостями відносяться до категорії рідких тіл. При цьому слід зазначити, що чітких і жорстких кордонів між твердими, рідкими і газоподібними тілами немає. Є велика група тел займають проміжне положення між твердими тілами і рідинами і між рідинами і газами. Взагалі говорити про стан речовини можна тільки при цілком певних зовнішніх умовах. В якості стандартних умов прийняті умови при температурі 20 ° С і атмосферному тиску. Стандартні (нормальні) умови цілком співвідносяться з поняттям сприятливих зовнішніх умов для існування людини. Поняття про стан речовини необхідно доповнити. Так при збільшенні кінетичної енергії молекул речовини (нагрівання речовини) тверді тіла можуть перейти в рідкий стан (плавлення твердого тіла) і тверді тіла придбають при цьому деякі властивості рідин. Подібно цьому збільшення кінетичної енергії молекул рідкої речовини може призвести рідину в газоподібний стан (пароутворення) і при цьому рідина буде мати властивості відповідні газам. Аналогічним способом можна перетворити розплавлене тверде тіло в пару, якщо в більшій мірі збільшити кінетичну енергію коливального руху молекул первісного твердої речовини. Зменшення кінетичної енергії молекул (охолодження речовини) призведе процес у зворотному напрямку. Газ може бути перетворений у рідкий, а, потім і в твердий стан.
Вивчення реальних рідин і газів
Вивчення реальних рідин і газів пов'язане зі значними труднощами, тому що фізичні властивості реальних рідин залежить від їх складу, від різних компонентів, які можуть утворювати з рідиною різні суміші як гомогенні (розчини) так і гетерогенні (емульсії, суспензії і ін) З цієї причини для виведення основних рівнянь руху рідини доводиться користуватися деякими абстрактними моделями рідин і газів, які наділяються властивостями невластивими природним рідин і газів. Ідеальна рідина - модель природної рідини, що характеризується изотропность всіх фізичних властивостей і, крім того, характеризується абсолютною нестисливості, абсолютної плинністю (відсутність сил внутрішнього тертя), відсутністю процесів теплопровідності і теплопереносу.
Реальна рідина - модель природної рідини, що характеризується изотропность всіх фізичних властивостей, але на відміну від ідеальної моделі, володіє внутрішнім тертям при русі. Ідеальний газ - модель, що характеризується изотропность всіх фізичних властивостей і абсолютної стискальністю. Реальний газ - модель, при якій на стисливість газу при умовах, близьких до нормальних умов істотно впливають сили взаємодії між молекулами. При вивченні руху рідин і газів теоретична гідравліка (гідромеханіка) широко користується поданням про рідини як про суцільну середовищі. Таке припущення цілком виправдано, якщо врахувати, що розміри простору займаного рідиною, у багато разів перевершують міжмолекулярні відстані (винятком можна вважати лише розряджений газ). При вивченні руху рідин і газів останні часто розглядаються як рідини з притаманними їм деякими особливими властивостями. У зв'язку з цим прийнято розрізняти дві категорії рідин: краплинні рідини (практично нестискувані тіла, або власне рідини) і стискувані рідини (гази).
Основні фізичні властивості рідин
До основних фізичних властивостей рідин слід віднести ті її властивості, які визначають особливості поведінки рідини за її русі. Такими є властивості, що характеризують концентрацію рідини в просторі, властивості, що визначають процеси деформації рідини, що визначають величину внутрішнього тертя в рідині при її русі, поверхневі ефекти. Найважливішим фізичним властивістю рідини, що визначає її концентрацію в просторі, є щільність рідини. Під щільністю рідини розуміється маса одиниці об'єму рідини:
де: М - маса рідини,
W - обсяг, займаний рідиною.
У міжнародній системі одиниць СІ маса речовини вимірюється в кг, обсяг рідкого тіла в м 3, тоді розмірність щільності рідини в системі одиниць СІ - кг / м 3. У системі одиниць СГС щільність рідини вимірюється в г / см 3. Величини щільності реальних крапельних рідин у стандартних умовах змінюються в системі одиниць СІ в широких межах від 700 кг / м 3 до 1800 кг / м 3, а щільність ртуті досягає 13550 кг / м, щільність чистої води становить 998 кг / м 3. У системі одиниць СГС межі зміни щільності рідини від 0,7 г / см до 1,8 г / см 3, щільність чистої води 0,998 г / см. Величини щільності газів менше щільності крапельних рідин приблизно на три порядки, тобто в системі одиниць СІ щільності газів при атмосферному тиску і температурі О ° С змінюються в межах від 0,09 кг / м 3 до 3,74 кг / м, щільність повітря становить 1,293 кг / м 3.
Щільність крапельних рідин і газів залежить від температури і тиску. Залежність величини щільності рідини і газу при температурі відмінною від 20 ° С визначається за формулою Д.І. Менделєєва:
де: р и р 20 - щільності рідини (газу) при температурах відповідно
ГІГ про = 20 ° С, βi-коефіцієнт температурного розширення. Винятковими особливостями володіє вода, максимальна щільність якої відзначається при 4 ° С. Щільність крапельних рідин в залежності від тиску може бути визначена відповідно до рівняння стану пружної рідини:
5
• де:
- Щільність краплинної рідини при атмосферному тиску р ат, - коефіцієнт об'ємного стиснення краплинної рідини.
Щільність ідеальних газів при тисках відмінних від атмосферного можна визначити за відомим законом газового стану Менделєєва-Клайперона:
Де задіяно тиск, питомий об'єм газу, універсальна газова стала, температура газу.
при
Крім абсолютної величини щільності краплинної рідини, на практиці користуються і величиною її відносної щільності, яка представляє собою відношення величини абсолютної щільності рідини до щільності чистої води при температурі 4 ° С:
.
Відносна щільність рідини - величина безрозмірна.
Є аналогічна характеристика і для газів. Під відносною щільністю газу (по повітрю) розуміється відношення величини абсолютної густини газу до густини повітря при стандартних умовах.
Щільність рідини
Про щільності рідини побічно можна судити по ваговому показнику, - питомій вазі рідини. Під питомою вагою рідини (газу) розуміється вага одиниці об'єму рідини (газу):
G вага рідини (газу),
де: W обсяг, займаний рідиною (газом).
Зв'язок між щільністю і питомою вагою рідини така ж як і між масою тіла і її вагою:
Розмірність питомої ваги рідини в системі одиниць СІ н / м 3, питома вага чистої води становить 9810 н / м 3. Аналогічно вводиться поняття про відносне питомій вазі рідини,
На практиці величина щільності рідини визначається за допомогою найпростішого приладу - ареометра. За глибиною занурення приладу в рідину судять про її щільності.
Пружність
Про пружності можна сказати теж, так як крапельні рідини відносяться до категорії погано стисливих тел. Причини незначних змін об'єму рідини при збільшенні тиску очевидні, тому що міжмолекулярні відстані в краплинної рідини малі і при деформації рідини доводиться долати значні сили відштовхування, що діють між молекулами, і навіть відчувати вплив сил, що діють усередині атома. Тим не менш, стисливість рідин в 5 - 10 разів вище, ніж стисливість твердих тіл, тобто можна вважати, що всі краплинні рідини мають пружні властивості. Оцінка пружних властивостей рідин може здійснюватися по ряду спеціальних параметрів, коефіцієнт об'ємного стиснення рідини являє собою відносну зміну об'єму рідини при зміні тиску на одиницю. По суті це відомий закон Гука для моделі об'ємного стиснення:
Формула включає початковий об'єм рідини, (при початковому тиску), і коефіцієнт об'ємного (пружного) стиснення рідини. Вважається, що коефіцієнт об'ємного стиснення рідини залежить з досить великою точністю тільки від властивостей самої рідини і не залежить від зовнішніх умов. Коефіцієнт об'ємного стиснення рідини має розмірність зворотний розмірності тиску, тобто м / н. адіабатичний модуль пружності рідини К, залежить від термодинамічної стану рідини (величина зворотна коефіцієнту об'ємного стиснення рідини):
Величина модуля пружності рідини має розмірність напруги, тобто н / м. Про пружні властивості краплинної рідини можна судити за швидкістю поширення поздовжніх хвиль у рідкому середовищі, яка дорівнює швидкості звуку в спочиваючої рідини:
З пружними властивостями крапельних рідин також пов'язані уявлення про опір рідин розтягуванню. Теоретично в чистих рідинах можуть бути досягнуті досить значні напруження. Однак, в реальних рідинах за наявності в них навіть досить незначних домішок (тверді частинки, газ) зменшує величину опору рідини розтягуванню практично до 0. З цієї причини можна вважати, що в крапельних рідинах напруги розтягуванню неможливі. Про пружні властивості газів можна судити виходячи з класичного рівняння Пуассона:
;
де: п - показник адіабати рівний відношенню теплоємності газу при постійному тиску до величини теплоємності газу при постійному об'ємі.
Для оцінки пружних властивостей рухомого газу користуються не абсолютною величиною швидкості звуку з зв, а ставленням швидкості потоку газу v до швидкості звуку в газі. Цей показник має назву числа Маха:
В'язкість
І трохи про в'язкості. При русі реальних (в'язких) рідин в них виникає внутрішня напруга, обумовлені силами внутрішнього тертя рідини. Природа цих сил досить складна; виникають в рідині напруги пов'язані з процесом перенесення імпульсу
(Вектора масової швидкості руху рідини). При цьому виникають в рідині напруги обумовлені двома факторами: напруженнями, що виникають при деформації зсуву та напруженнями, що виникають при деформації об'ємного стиснення. Наявність сил вязкостного тертя в рідини, що рухається підтверджується простим і наочним досвідом. Якщо в циліндричну ємність, заповнену рідиною опустити циліндр, що обертається, то незабаром прийде в рух (почне обертатися навколо своєї осі в тому ж напрямку, що і циліндр, що обертається) і сама ємність з рідиною. Цей факт свідчить про те, що обертальний момент від обертового циліндра був переданий через в'язку рідину самій ємності, заповненою рідиною. Напруження, що виникають при деформації зсуву відповідно до гіпотези Ньютона пропорційні градієнту швидкості в рухомих шарах рідини, а сила тертя між шарами рідини, що рухається буде пропорційна площі поверхні рухомих шарів рідини:
де:
T - сила тертя між шарами рідини, що рухається,
S-площа поверхні шарів рідини, що рухається,
t - дотичні напруження, що виникають в рідині при деформації зсуву,
коефіцієнт динамічної в'язкості рідини.
Величина коефіцієнта динамічної в'язкості рідини при постійній температурі і постійному тиску залежить від внутрішніх (хімічних) властивостей самої рідини. Розмірність коефіцієнта динамічної в'язкості в системі одиниць СІ: н с / м 2, в системі СГС - д-с/см. Остання розмірність носить назву пуаз (пз). Таким чином, \ пз = 1 д-с/см,
а співвідношення між одиницями в'язкості. 1да = 0,1 н с / м 2. Крім коефіцієнта динамічної в'язкості рідини широко використовується коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини v, що представляє собою відношення коефіцієнта динамічної в'язкості до щільності рідини:
У системі одиниць СІ коефіцієнт кінематичної в'язкості вимірюється в м / с, у системі одиниць СГС одиницею вимірювання коефіцієнта кінематичної в'язкості рідини є стоці (cm), тобто 1 cm = 1 см / С.
Коефіцієнт динамічної в'язкості чистої води становить 1-10 ~ 3 н-с / м (або 0,01 пз), коефіцієнт кінематичної в'язкості чистої води становить МО "м / с (або 0,01 cm ). Коефіцієнти в'язкості рідин варіюють у досить широких межах від 0,0003 до 0,139 н-с / л / 2.
В'язкість рідини в значній мірі залежить від температури і тиску. При збільшенні температури краплинної рідини коефіцієнти її в'язкості (як динамічний, так і кінематичний) різко знижується в десятки і сотні разів, що обумовлено збільшенням внутрішньої енергії молекул рідини в порівнянні з енергією міжмолекулярної зв'язку в рідині. Залежність в'язкості краплинної рідини від температури може бути виражена у вигляді експоненційної залежності:
де:
Q - 20 ° С,
- Експериментальний температурний коефіцієнт. Залежність в'язкості рідини від пригнічений в широкому діапазоні тисків залишається практично лінійною:
де:
- В'язкість рідини при атмосферному тиску, а р - експериментальний коефіцієнт пропорційності. Гази володіють незрівнянно більш низькими коефіцієнтами в'язкості від 0,0000084 до 0,0000192 н-с / м 2, і на відміну від крапельних рідин в'язкість газів збільшується при збільшенні температури, тому що зі збільшенням температури газу зростають швидкості теплового руху молекул і, відповідно, збільшується число зіткнень молекул газу, що робить газ більш в'язким. Залежність в'язкості газу від тиску нічим не відрізняється від аналогічної залежності для крапельних рідин. Вимірювання в'язкості рідин здійснюється за допомогою віскозиметрів, що працюють на принципі витікання рідини через малий отвір, що калібрується; в'язкість обчислюється за швидкістю витікання.
Крім деформації зсуву внутрішній опір у рідині виникає і при об'ємному стиску рідини, тобто стислива рідина прагне відновити стан первісного рівноваги. Цей процес, в деякій мірі, аналогічний прояву сил опору при деформації зсуву, хоча сам процес і відрізняється за своєю суттю. З цієї причини говорять, що в рідині виявляється так звана друга в'язкість Ј, обумовлена деформацією об'ємного стиснення рідини.
Список використаної літератури
1. «Гідравліка» Агроскін І.І, Дмитрієв Г.Т., Пікалов Ф.І., 2000р.
2. «Гідравліка» Рабинович Є.З., 2000р.
3. «Механіка рідини, гідравлічні машини та основи
Гідроприводу »Орлов Ю.М., 2001р.
4. «Гідравліка та гідромашини» Соколов Б.А., 2007р.
До основних фізичних властивостей рідин слід віднести ті її властивості, які визначають особливості поведінки рідини за її русі. Такими є властивості, що характеризують концентрацію рідини в просторі, властивості, що визначають процеси деформації рідини, що визначають величину внутрішнього тертя в рідині при її русі, поверхневі ефекти. Найважливішим фізичним властивістю рідини, що визначає її концентрацію в просторі, є щільність рідини. Під щільністю рідини розуміється маса одиниці об'єму рідини:
де: М - маса рідини,
W - обсяг, займаний рідиною.
У міжнародній системі одиниць СІ маса речовини вимірюється в кг, обсяг рідкого тіла в м 3, тоді розмірність щільності рідини в системі одиниць СІ - кг / м 3. У системі одиниць СГС щільність рідини вимірюється в г / см 3. Величини щільності реальних крапельних рідин у стандартних умовах змінюються в системі одиниць СІ в широких межах від 700 кг / м 3 до 1800 кг / м 3, а щільність ртуті досягає 13550 кг / м, щільність чистої води становить 998 кг / м 3. У системі одиниць СГС межі зміни щільності рідини від 0,7 г / см до 1,8 г / см 3, щільність чистої води 0,998 г / см. Величини щільності газів менше щільності крапельних рідин приблизно на три порядки, тобто в системі одиниць СІ щільності газів при атмосферному тиску і температурі О ° С змінюються в межах від 0,09 кг / м 3 до 3,74 кг / м, щільність повітря становить 1,293 кг / м 3.
Щільність крапельних рідин і газів залежить від температури і тиску. Залежність величини щільності рідини і газу при температурі відмінною від 20 ° С визначається за формулою Д.І. Менделєєва:
де: р и р 20 - щільності рідини (газу) при температурах відповідно
ГІГ про = 20 ° С, βi-коефіцієнт температурного розширення. Винятковими особливостями володіє вода, максимальна щільність якої відзначається при 4 ° С. Щільність крапельних рідин в залежності від тиску може бути визначена відповідно до рівняння стану пружної рідини:
• де:
Щільність ідеальних газів при тисках відмінних від атмосферного можна визначити за відомим законом газового стану Менделєєва-Клайперона:
Де задіяно тиск, питомий об'єм газу, універсальна газова стала, температура газу.
при
Крім абсолютної величини щільності краплинної рідини, на практиці користуються і величиною її відносної щільності, яка представляє собою відношення величини абсолютної щільності рідини до щільності чистої води при температурі 4 ° С:
Відносна щільність рідини - величина безрозмірна.
Є аналогічна характеристика і для газів. Під відносною щільністю газу (по повітрю) розуміється відношення величини абсолютної густини газу до густини повітря при стандартних умовах.
Щільність рідини
Про щільності рідини побічно можна судити по ваговому показнику, - питомій вазі рідини. Під питомою вагою рідини (газу) розуміється вага одиниці об'єму рідини (газу):
G вага рідини (газу),
де: W обсяг, займаний рідиною (газом).
Зв'язок між щільністю і питомою вагою рідини така ж як і між масою тіла і її вагою:
Розмірність питомої ваги рідини в системі одиниць СІ н / м 3, питома вага чистої води становить 9810 н / м 3. Аналогічно вводиться поняття про відносне питомій вазі рідини,
На практиці величина щільності рідини визначається за допомогою найпростішого приладу - ареометра. За глибиною занурення приладу в рідину судять про її щільності.
Пружність
Про пружності можна сказати теж, так як крапельні рідини відносяться до категорії погано стисливих тел. Причини незначних змін об'єму рідини при збільшенні тиску очевидні, тому що міжмолекулярні відстані в краплинної рідини малі і при деформації рідини доводиться долати значні сили відштовхування, що діють між молекулами, і навіть відчувати вплив сил, що діють усередині атома. Тим не менш, стисливість рідин в 5 - 10 разів вище, ніж стисливість твердих тіл, тобто можна вважати, що всі краплинні рідини мають пружні властивості. Оцінка пружних властивостей рідин може здійснюватися по ряду спеціальних параметрів, коефіцієнт об'ємного стиснення рідини являє собою відносну зміну об'єму рідини при зміні тиску на одиницю. По суті це відомий закон Гука для моделі об'ємного стиснення:
Формула включає початковий об'єм рідини, (при початковому тиску), і коефіцієнт об'ємного (пружного) стиснення рідини. Вважається, що коефіцієнт об'ємного стиснення рідини залежить з досить великою точністю тільки від властивостей самої рідини і не залежить від зовнішніх умов. Коефіцієнт об'ємного стиснення рідини має розмірність зворотний розмірності тиску, тобто м / н. адіабатичний модуль пружності рідини К, залежить від термодинамічної стану рідини (величина зворотна коефіцієнту об'ємного стиснення рідини):
Величина модуля пружності рідини має розмірність напруги, тобто н / м. Про пружні властивості краплинної рідини можна судити за швидкістю поширення поздовжніх хвиль у рідкому середовищі, яка дорівнює швидкості звуку в спочиваючої рідини:
З пружними властивостями крапельних рідин також пов'язані уявлення про опір рідин розтягуванню. Теоретично в чистих рідинах можуть бути досягнуті досить значні напруження. Однак, в реальних рідинах за наявності в них навіть досить незначних домішок (тверді частинки, газ) зменшує величину опору рідини розтягуванню практично до 0. З цієї причини можна вважати, що в крапельних рідинах напруги розтягуванню неможливі. Про пружні властивості газів можна судити виходячи з класичного рівняння Пуассона:
де: п - показник адіабати рівний відношенню теплоємності газу при постійному тиску до величини теплоємності газу при постійному об'ємі.
Для оцінки пружних властивостей рухомого газу користуються не абсолютною величиною швидкості звуку з зв, а ставленням швидкості потоку газу v до швидкості звуку в газі. Цей показник має назву числа Маха:
В'язкість
І трохи про в'язкості. При русі реальних (в'язких) рідин в них виникає внутрішня напруга, обумовлені силами внутрішнього тертя рідини. Природа цих сил досить складна; виникають в рідині напруги пов'язані з процесом перенесення імпульсу
де:
T - сила тертя між шарами рідини, що рухається,
S-площа поверхні шарів рідини, що рухається,
t - дотичні напруження, що виникають в рідині при деформації зсуву,
Величина коефіцієнта динамічної в'язкості рідини при постійній температурі і постійному тиску залежить від внутрішніх (хімічних) властивостей самої рідини. Розмірність коефіцієнта динамічної в'язкості в системі одиниць СІ: н с / м 2, в системі СГС - д-с/см. Остання розмірність носить назву пуаз (пз). Таким чином, \ пз = 1 д-с/см,
а співвідношення між одиницями в'язкості. 1да = 0,1 н с / м 2. Крім коефіцієнта динамічної в'язкості рідини широко використовується коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини v, що представляє собою відношення коефіцієнта динамічної в'язкості до щільності рідини:
У системі одиниць СІ коефіцієнт кінематичної в'язкості вимірюється в м / с, у системі одиниць СГС одиницею вимірювання коефіцієнта кінематичної в'язкості рідини є стоці (cm), тобто
Коефіцієнт динамічної в'язкості чистої води становить 1-10 ~ 3 н-с / м (або 0,01 пз), коефіцієнт кінематичної в'язкості чистої води становить МО "м / с (або
В'язкість рідини в значній мірі залежить від температури і тиску. При збільшенні температури краплинної рідини коефіцієнти її в'язкості (як динамічний, так і кінематичний) різко знижується в десятки і сотні разів, що обумовлено збільшенням внутрішньої енергії молекул рідини в порівнянні з енергією міжмолекулярної зв'язку в рідині. Залежність в'язкості краплинної рідини від температури може бути виражена у вигляді експоненційної залежності:
де:
Q - 20 ° С,
де:
Крім деформації зсуву внутрішній опір у рідині виникає і при об'ємному стиску рідини, тобто стислива рідина прагне відновити стан первісного рівноваги. Цей процес, в деякій мірі, аналогічний прояву сил опору при деформації зсуву, хоча сам процес і відрізняється за своєю суттю. З цієї причини говорять, що в рідині виявляється так звана друга в'язкість Ј, обумовлена деформацією об'ємного стиснення рідини.
Список використаної літератури
1. «Гідравліка» Агроскін І.І, Дмитрієв Г.Т., Пікалов Ф.І., 2000р.
2. «Гідравліка» Рабинович Є.З., 2000р.
3. «Механіка рідини, гідравлічні машини та основи
Гідроприводу »Орлов Ю.М., 2001р.
4. «Гідравліка та гідромашини» Соколов Б.А., 2007р.