Un lichid este un corp fizic care are proprietatea fluidității; Abilitatea de a-și schimba infinit forma sub acțiunea unor forțe arbitrar de mici. Spre deosebire de gaz, lichidul își modifică ușor densitatea atunci când se schimbă presiunea.
Lichidele sunt împărțite în picături și gazoase. Lichidul de picurare din vas are forma unui vas și formează o suprafață liberă. Lichidul gazos are forma unui vas și își umple întregul volum.
Fluidele de scurgere, cum ar fi apa, kerosenul, benzina, uleiul, mercurul și altele, formează picături într-o stare de greutate. Lichide gazoase - aerul și alte gaze în stare de greutate nu au picături.
Hidraulica se ocupă de studiul lichidelor care cad, dar legile sale fundamentale pot fi aplicate studiului gazelor care se află în stare de repaus sau se deplasează la viteze de până la 80-100 m / s.
În cele ce urmează, prin termenul "lichid" se înțelege în principal un picant lichid, precum și un lichid gazos, cu o mică schimbare în densitatea sa.
Lichidele au o serie de proprietăți inerente în toate corpurile fizice - masa, greutatea și altele, precum și proprietățile caracteristice doar lichidelor, cunoașterea cărora este necesară atunci când se ia în considerare materialul ulterior.
Densitatea unui lichid este cantitatea de masă m. închis într-un volum unitar W dintr-un corp lichid omogen
Unitatea de măsură a densității în unități SI este de 1 kg / m 3. De exemplu, valoarea medie a densității pentru benzină = 710 kg / m3 de ulei = 800 kg / m 3. Densitatea de apă distilată la temperatura de 4 ° C și presiune normală barometrică = 1000 kg / m3 de mercur are o densitate = 13600 kg / m 3 cu o presiune tot mai mare, crește densitatea fluidului, și cu creșterea temperaturii scade de obicei.
Greutatea specifică este raportul dintre greutatea lichidului G. adică forța de gravitație care acționează asupra lichidului, la volumul său W
Unitatea SI de greutate specifică este de 1 N / m 3. În cazurile în care greutatea specifică este măsurată în kg / m3 (sistem de sistem metric gravitațional), valorile numerice ale densității și a greutății specifice sunt aceleași. De exemplu, greutatea specifică a apei distilate pur la 4 ° C și presiunea barometrică este normal = 9810 N / m 3. Apă proaspătă Normal (râu, bine, țeavă) datorită solubile în ea diferite substanțe oarecum mai grele de apă distilată. Cu toate acestea, această diferență este mică. Prin urmare, în practică, calcule hidraulice greutate relativă de apă proaspătă, fără eroare semnificativă este luată egală cu greutatea specifică a apei distilate. Greutatea specifică a apei de mare, în funcție de salinitate, este cu 2 ... 3% mai mare decât greutatea specifică a apei distilate.
Există o relație directă între densitate și greutate specifică. Greutatea specifică poate fi exprimată prin produsul densității prin accelerația datorată gravității g:
De unde densitatea unui lichid sau a unei alte substanțe poate fi determinată din raportul greutății sale specifice cu accelerația gravitației:
Compresibilitatea este o proprietate a unui lichid pentru a-și reduce volumul sub influența forțelor externe. În ciuda acestui fapt, mobilitatea moleculelor în lichide este mică, lichidul poate fi stricat în mod apreciabil numai prin utilizarea unor presiuni foarte mari. Lichidele au o compresibilitate nesemnificativă. Compresibilitatea unui lichid este caracterizată de un coeficient de comprimare a volumului.
Este o scădere relativă a volumului de lichid cu o creștere a presiunii de o unitate
unde - volumul inițial al corpului lichid, - scăderea absolută a volumului lichidului, - creșterea totală a presiunii.
Dimensiunea coeficientului în sistemul SI este m 2 / H sau 1 / Pa.
Fluidele de scurgere, spre deosebire de gaze, au o rezistență semnificativă la forțele de compresiune și, prin urmare, au valori foarte mici ale coeficienților de compresie a volumului. De exemplu, pentru apă proaspătă m 2 / H.
Datorită micului lichid, acestea din urmă sunt considerate a fi practic incompresibile, iar în multe calcule inginerești, proprietatea de compresibilitate a lichidului este neglijată.
Inversa se numește modulul elastic E:
Pentru apă proaspătă N / m 2.
Extinderea temperaturii este o proprietate a unui fluid pentru a-și schimba volumul pe măsura schimbării temperaturii. Această proprietate este caracterizată cantitativ de coeficientul de dilatare termică. care exprimă o creștere relativă a volumului de lichid cu o creștere a temperaturii cu 1 о С
Aici - volumul inițial al corpului lichid, - creșterea totală a volumului lichidului, - creșterea temperaturii. Unitate de măsură.
Coeficientul de dilatare termică a apei crește odată cu creșterea presiunii și a temperaturii, pentru majoritatea celorlalte picături de lichid scade odată cu creșterea presiunii. Mărimea lichidelor care se scurg sunt relativ mici, ceea ce ne permite să neglijăm extinderea temperaturii în multe calcule practice. De exemplu, pentru apa în limitele temperaturilor de la 10 la 20 о С și presiunea în 1 atmosferă este egală cu 0,00015 1 / о С. Pentru petrol și produse petroliere = 0,00060 ... 0,00085 1 / о С.
Viscozitatea sau frecare internă este o proprietate a unui fluid pentru a rezista atunci când straturile sunt deplasate unul față de celălalt. Rezistența mediului sub forfecare este asociată cu apariția solicitărilor tangențiale.
Ipoteza fricțiunii interne în lichide a fost formulată mai întâi de Isaac Newton (1687).
Fig. 1.1 Deplasarea relativă a două straturi adiacente de lichid
Esența acestei ipoteze este următoarea: puterea frecarea internă care apare între straturile adiacente ale unui lichid și b (figura 1.1), cu deplasarea lor relativă, este direct proporțională cu viteza și pătratul interacțiunii este invers proporțională cu distanța dintre straturi depinde de tipul de lichid, și anume
unde T - straturi de rezistență la forță de forfecare, - suprafața pe care interacțiunea forță, du - diferența în vitezele straturilor adiacente, DH - distanța dintre straturile de lichid, - un coeficient de proporționalitate caracterizează proprietățile viscozimetrice ale fluidului.
Newton's ipoteza a fost confirmată oficial de către profesorul NP Petrov (1883), iar de atunci dependența (1.8) a devenit cunoscută drept legea lui Newton pentru frecare fluidă.
Împărțim laturile din dreapta și din stânga ale formulei (1.8) prin și indicând cu T / = t, apoi
unde t este forța de frecare specifică sau tensiunile tangențiale, N / m 2.
Această dependență se numește formula prof. Petrova. Raportul se numește gradient de viteză, care indică schimbarea vitezei de deplasare a straturilor de fluid pe distanță de unitate în direcția transversală. Se poate observa din formula lui Newton că, la diferența de viteză zero (du = 0, de exemplu, într-un fluid în stare de repaus) forțele de frecare interioară nu apar.
Coeficientul de proporționalitate din formulele de mai sus caracterizează vâscozitatea absolută sau dinamică a lichidului. Mai multe lichide vâscoase corespund unor valori mai mari.
Dimensiunea coeficientului în sistemul SI este Pascal-secundă (Pa × s) = N × s / m 2 = kg / (Pa × s). Până în 1980, unitatea a fost folosită - Poise (P) .1 P = 0,1 Pa × s (în cinstea exploratorului francez J. Poiseuille).
Coeficientul vâscozității cinematice este raportul dintre coeficientul de vâscozitate dinamic și densitatea unui fluid dat, adică
Unitatea de măsură u în sistemul SI este m 2 / s. Până în 1980, ca unitate de măsură, u a folosit Stokes (în onoarea fizicianului englez D. Stokes). 1Ст = 10-4 m 2 / s.
Inversa viscozității dinamice se numește fluiditate.
Cu mișcarea stratificată a unei picături, viscozitatea se manifestă prin forțele aderenței moleculare. Pe măsură ce crește temperatura, aceste forțe scad, astfel că viscozitatea scade substanțial.
Viscozitatea se modifică și atunci când presiunea asupra lichidului se schimbă. Cu toate acestea, în limitele presiunilor de până la 10,1 MPa (100 atmosfere), această modificare este nesemnificativă și de obicei este neglijată în calcule practice.
Fig. 1.2 Viscozimetrul Engler
Viscozitatea condiționată a lichidului ("UV"), exprimată în grade de Engler (o E), se găsește din relația:
unde t1 este timpul de expirare a lichidului supus anchetei într-un volum de 200 cm3; t2 este timpul de expirare al apei distilate luate în același volum.
Vâscozitatea fluidului în grade Engler determinat de obicei, la o temperatură de 20 ° C Pentru a menține o temperatură constantă pe parcursul viscozimetru experiment, echipat cu o baie de apă încălzită la o temperatură predeterminată, care este produsă printr-un arzător cu gaz sau un încălzitor electric.
Pentru a recalcula gradele sau gradele lui Angler "VU" din Stokes utilizați formula empirică a lui Ubbellode
Valoarea coeficientului vâscozității dinamice conform formulei (1.10) este definită ca
În plus față de proprietățile fizice ale lichidelor luate în considerare, în unele probleme practice pentru picături lichide, trebuie luată în considerare presiunea saturată a vaporilor, solubilitatea în gaz, spumarea, tensiunea superficială, capilaritatea. Valorile numerice ale acestor parametri, dacă este necesar, pot fi găsite în directoarele cantităților fizice sau termofizice.
Un lichid care posedă întregul complex de proprietăți fizice considerat mai sus este real.
Din punctul de vedere al hidraulicii, viscozitatea este una dintre cele mai importante proprietăți ale unui lichid real, deci lichidele reale sunt adesea denumite vâscoase sau Newtoniene (deoarece manifestarea forțelor de vâscozitate este descrisă de legea lui Newton).
Comportamentul unui lichid real într-o varietate de condiții externe se poate dovedi a fi foarte complex, dificil de accesat pentru studiu și descriere matematică (de exemplu, un pârâu furtunoasă). Prin urmare, pentru a obține soluții aproximative, adesea supuse unei rafinări ulterioare, un model al așa-numitului fluid perfect sau ideal este utilizat cu succes în domeniul hidraulic.
Perfectul este un lichid absolut incompresibil absolut mobil (adică, lipsit de vâscozitate) care nu modifică volumul cu schimbarea temperaturii și este absolut incapabil să reziste ruperii.
Pentru un fluid perfect :.
Nu pot exista tensiuni tangențiale sau de întindere într-un fluid perfect.
În plus față de lichidele vâscoase și perfecte din hidraulică, trebuie tratate așa-numitele fluide anormale sau non-newtoniene, adică cele care nu se supun legii lui Newton de frecare vâscoasă.
Sa stabilit experimental că mișcarea lichidelor non-newtoniene începe numai după ce tensiunile tangențiale ating o anumită valoare minimă limită (așa-numita tensiune inițială de forfecare). La tensiuni mai scăzute, aceste lichide nu curg, însă se înregistrează doar deformări elastice.
Pentru acest tip de lichide
Această formulă a fost obținută de Bingham, astfel încât fluidele non-newtoniene sunt numite Bingham.
Un exemplu de lichide anormale poate servi drept coloizi (jeleuri), produse petroliere la o temperatură apropiată de punctul de turnare, soluții de argilă groasă și noroi etc.