Основные физические свойства жидкости и газов. Плотность, удельный вес, сжимаемость и температурное расширение

Содержание

 

1. Основные физические свойства жидкости и газов. Плотность,

удельный вес, сжимаемость и температурное расширение 3

2. Потоки жидкости. Средняя скорость. Виды движения жидкости. 6

3. Поясните следующие основные характеристики газовых потоков:

число Маха, коэффициент скорости, безразмерная скорость. 8

4. Объясните принцип действия вытяжной канальной вентиляции. 10

5. Как вычислить коэффициент расхода и расход при истечении

капельных жидкостей из сосудов через отверстия и насадки 12

Список литературы 15

Потоки жидкости. Средняя скорость. Виды движения жидкости.

 

Совокупность элементарных струек жидкости представляет собой поток жидкости. Различают следующие типы потоков:

Напорные потоки (напорные движения) - это такие, когда поток ограничен твердыми стенками со всех сторон, при этом в любой точке потока давление отличается от атмосферного обычно в большую сторону, но может быть и меньше атмосферного. Движение в этом случае происходит за счет напора, создаваемого, например, насосом или водонапорной башней. Давление вдоль напорного потока обычно переменное. Такое движение имеет место во всех гидроприводах технологического оборудования, водопроводах, отопительных системах и т.п.

Безнапорные потоки (безнапорные движения) отличаются тем, что поток имеет свободную поверхность, находящуюся под атмосферным давлением. Безнапорное движение происходит под действием сил тяжести самого потока жидкости. Давление в таких потоках примерно одинаково и отличается от атмосферного только за счет глубины потока. Примером такого движения может быть течение воды в реке, канале, ручье.

Свободная струя не имеет твердых стенок. Движение происходит под действием сил инерции и веса жидкости. Давление в таком потоке практически равно атмосферному. Пример свободной струи – вытекание жидкости из шланга, крана и т.п.

Средняя скорость потока υ - скорость движения жидкости, определяющаяся отношением расхода жидкости Q к площади живого сечения ω:

.

Поскольку скорость движения различных частиц жидкости отличается друг от друга, поэтому скорость движения и усредняется. В круглой трубе, например, скорость на оси трубы максимальна, тогда как у стенок трубы она равна нулю.

Основными видами движения жидкости являются: движение установившееся и неустановившееся, равномерное и неравномерное, напорное и безнапорное, сплошное и прерывистое.

Установившимся движением называется такое движение жидкости, при котором в данной точке русла давление и скорость не изменяются во времени.

Движение, при котором скорость и давление изменяются не только от координат пространства, но и от времени, называется неустановившимся или нестационарным.

Равномерным движением (параллельноструйным) называют такое движение, параметры которого не изменяются ни во времени, ни в пространстве. Таким образом, равномерное движение всегда является установившимся.

При неравномерном движении параметры изменяются в пространстве. Неравномерное движение может быть как неустановившимся, так и установившимся. Неустановившееся движение всегда является неравномерным. Внутри этого вида движения различают:

-плавно изменяющееся движение (живые сечения принимаются плоскими);

-резко изменяющееся движение (живые сечения криволинейны).

 

 

Коэффициент скорости

и безразмерная скорость

где — критическая скорость,

— максимальная скорость в газе,

— показатель адиабаты газа, равный отношению удельных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме соответственно.

Важное значение числа Маха объясняется тем, что оно определяет, превышает ли скорость течения газовой среды (или движения в газе тела) скорость звука или нет. Сверхзвуковые и дозвуковые режимы движения имеют принципиальные различия, для авиации это различие выражается в том, что при сверхзвуковых режимах возникают узкие слои быстрого значительного изменения параметров течения (ударные волны), приводящие к росту сопротивления тел при движении, концентрации тепловых потоков у их поверхности и возможности прогорания корпуса тел и т.п.

 

Список литературы

 

1. Валуева Е.П. Введение в механику жидкости: учебное пособие / Е.П. Валуева, В.Г. Свиридов. – М.: Изд-воМЭИ, 2011. – 212 с.

2. Дейч М.Е. Техническая газодинамика. – М.: Энергия, 1974. – 670 с.

3. Жуков Н.П. Гидрогазодинамика: учебное пособие. – Тамбов: Изд-воФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2011. – 92 с.

4. Каторгин Б. И. Прикладная газодинамика. – М.: Вузовская книга, 2014. – 340 с.

5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Наука, 1987. – 676 с.

6. Осипов П.Е. Гидравлика, гидравлические машины и гидропривод. - М.: Лесная промышленность, 1981. - 424 с.

7. Самойлович Г.С. Гидрогазодинамика. -М.: Машиностроение, 1990. - 384 с.

8. Шерстюк А.Н. Гидрогазодинамика: учебное пособие. – М.: МИХМ, 1979. – 80 с.

9. Шерстюк А.Н. Двухмерные задачи гидрогазодинамики: учебное пособие. – М.: МИХМ, 1982. – 72 с.

 

 

Содержание

 

1. Основные физические свойства жидкости и газов. Плотность,

удельный вес, сжимаемость и температурное расширение 3

2. Потоки жидкости. Средняя скорость. Виды движения жидкости. 6

3. Поясните следующие основные характеристики газовых потоков:

число Маха, коэффициент скорости, безразмерная скорость. 8

4. Объясните принцип действия вытяжной канальной вентиляции. 10

5. Как вычислить коэффициент расхода и расход при истечении

капельных жидкостей из сосудов через отверстия и насадки 12

Список литературы 15

Основные физические свойства жидкости и газов. Плотность, удельный вес, сжимаемость и температурное расширение

 

Основными физическими свойствами жидкости и газов являются: плотность, удельный вес, сжимаемость, температурное расширение.

Плотность. К основным физическим свойствам жидкостей следует отнести те ее свойства, которые определяют особенности поведения жидкости при ее движении. Такими являются свойства, характеризующие концентрацию жидкости в пространстве, свойства, определяющие процессы деформации жидкости, определяющие величину внутреннего трения в жидкости при ее движении, поверхностные эффекты. Важнейшим физическим свойством жидкости, определяющим ее концентрацию в пространстве, является плотность жидкости.

Плотностью (массовой плотностью) ρ сплошной среды в точке A (рис. 1) называется масса единицы объема, т.е. отношение массы DМ к ее объему DV:

при DV → 0, кг/м³,

где DV – объем в окрестности точки A; DM – масса, содержащаяся в DV.

z

A

0 DV = DxDyDz

x

y

Рис. 1. Плотность сплошной среды

 

Понятие плотности, таким образом, можно ввести только в сплошной среде.

Величины плотности реальных капельных жидкостей в стандартных условиях изменяются в широких пределах от 700 кг/м³ до 1800 кг/м³ (система единиц СИ), а плотность ртути, например, достигает 13 550 кг/м³, плотность чистой воды составляет 998 кг/м₃. В системе единиц СГС пределы изменения плотности жидкости от 0,7 г/см³ до 1,8 г/см³, плотность чистой воды 0,998 г/см³.

Величины плотности газов меньше плотности капельных жидкостей приблизительно на три порядка, т.е. в системе единиц СИ плотности газов при атмосферном давлении и температуре 0°С изменяются в пределах от 0,09 кг/м³ до 3,74 кг/м³, плотность воздуха составляет 1,293 кг/м³. Ниже приведены значения плотности некоторых наиболее применяемых жидкостей и газов (табл. 1.).

Кроме абсолютной величины плотности капельной жидкости на практике пользуются и величиной ее относительной плотности, которая представляет собой отношение величины абсолютной плотности жидкости к плотности чистой воды при температуре 4°С. Относительная плотность жидкости – величина безразмерная.

Таблица1

Плотность капельных жидкостей при стандартных условиях, кг/м3	Плотность газов при атмосферном давлении и температуре 0°С, кг/м3
Азотная кислота		Азот	1,251
Анилин		Аммиак	0,771
Ацетон		Аргон	1,783
Бензин	680…720	Ацетилен	1,173
Бензол		Водород	0,090
Бром		Воздух	1,293
Вода		Гелий	0,178
Вода тяжtлая		Кислород	1,429
Глицерин		Криптон	3,740
Морская вода	1010…1030	Неон	0,900
Нефть	760…995	Озон	2,139
Серная кислота		Углекислота	1,977
Этиловый спирт		Хлор	3,220

 

Удельный вес. О плотности жидкости (газа) косвенно можно судить по весовому показателю – удельному весу. Под удельным весом жидкости (газа) понимается вес единицы объема:

, Н/м³,

где G – вес жидкости (газа), Н;V – объем, занимаемый жидкостью (газом), м³.

Связь между плотностью и удельным весом такая же, как и между массой тела и ее весом:

γ = ρg.

Удельный вес чистой воды составляет 9810 Н/м³. Аналогично вводится понятие об относительном удельном весе жидкости.

На практике величина плотности жидкости определяется с помощью простейшего прибора – ареометра. По глубине погружения прибора в жидкость судят о величине ее плотности.

Сжимаемость. Капельные жидкости относятся к категории плохо сжимаемых тел. Причины незначительных изменений объема жидкости при увеличении давления очевидны, так как межмолекулярные расстояния в капельной жидкости малы и при деформации жидкости приходится преодолевать значительные силы отталкивания, действующие между молекулами, и даже испытывать влияние сил, действующих внутри атома. Тем не менее сжимаемость жидкостей в 5 – 10 раз выше, чем сжимаемость твердых тел, т.е. можно считать, что все капельные жидкости обладают упругими свойствами.

Жидкость способна сохранять свой объем и этим она схожа с твердым телом, но не способна самостоятельно сохранять свою форму, что сближает ее с газом. Все жидкости при изменении давления и температуры изменяют свой объем. Жидкости сжимаются незначительно. Например, при повышении давления от 0,1 до 10 МПа объем воды уменьшается лишь на 0,5%. Поэтому чаще всего в гидравлических расчетах жидкости считаются несжимаемыми. Однако при рассмотрении ряда вопросов (например, гидравлического удара) сжимаемость жидкости следует учитывать. Количественно это свойство оценивается величиной коэффициента объемного сжатия β_р, определяемого из выражения (закон Гука для модели объемного сжатия):

, 1/Па,

где V – первоначальный объем жидкости, м³; DV = V₀ – V_кон - изменение объема, м³; Dр = р_кон − р_нач – изменение давления, Па.

 

Температурное расширение. С увеличением температуры жидкости расширяются, например, при повышении температуры воды с 4 до 100°С ее объем увеличивается приблизительно на 4%. Количественно это свойство оценивается величиной коэффициента температурного расширения β_t, определяемого из формулы Д.И. Менделеева:

,

где Dt = t_кон − t_нач – изменение температуры, °С.