Proprietățile fizice ale lichidelor și gazelor
În domeniul hidromecanicii este obișnuită combinarea lichidelor, a gazelor și a vaporilor sub o singură denumire - lichide. Acest lucru se datorează faptului că legile mișcării de lichide și gaz (vapori) sunt aceleași în cazul în care viteza lor este viteza mult mai mic de sunet. Lichidele sunt toate substanțe care au fluiditate când se aplică forțele de forfecare cele mai nesemnificative.
Derivarea legile de bază ale mecanicii fluidelor este de asemenea introdus în conceptul unui fluid perfect, care în contrast cu fluid reale (vâscos), complet incompresibil de presiune, densitatea nu se schimbă odată cu schimbările de temperatură și are vâscozitate.
Masa unui lichid conținut într-un volum unitar V este densitatea corpului
Valoarea reciprocă a densității și reprezentând volumul ocupat de o unitate de masă se numește volumul specific:
Greutatea pe unitatea de volum a unui fluid se numește greutate specifică:
Greutatea specifică a lichidului și densitatea acestuia sunt corelate de relația
Densitatea, volumul specific și greutatea specifică sunt printre cele mai importante caracteristici ale lichidelor.
Fluidele reale sunt împărțite în picături și elastice. Fluxurile de picurare sunt incompresibile și au un coeficient mic de expansiune volumetrică. Volumul lichidelor elastice variază în funcție de schimbările de temperatură și presiune (gaze, vapori). În majoritatea problemelor tehnice, gazele sunt considerate ideale. Starea unui gaz ideal este descrisă de ecuația Clapeyron-Mendeleyev
unde constanta gazului universal este egală cu 8314 J / (kmol-K).
Această ecuație poate fi scrisă pentru a calcula densitatea gazului
Într-o serie de probleme, starea lichidelor trebuie de asemenea luată în considerare. Pentru procesele izentropice într-un lichid, putem folosi ecuația Teta
unde este presiunea de interacțiune moleculară; n este un coeficient care depinde de proprietățile lichidelor. Pentru apă »3,2 × 108 Pa, n» 7,15.
În funcție de temperatură și presiune, substanța poate fi în trei stări agregate: solidă, lichidă și gazoasă. În solide, moleculele sunt interconectate, aranjate într-o anumită ordine, și efectuează numai mișcarea termică vibrațională. Probabilitatea părăsirii ocupate de moleculă (atom) este mică. Prin urmare, solidele păstrează forma și volumul dorit.
În lichide, mișcarea termică a moleculelor este mult mai mare, unele molecule obțin o energie de excitație suficientă și își părăsesc locurile. Prin urmare, într-un fluid, moleculele se mișcă în întregul volum, dar energia lor cinetică rămâne insuficientă pentru a depăși fluidul. În acest sens, fluidele își păstrează volumul.
În gaze, mișcarea termică este chiar mai mare, moleculele sunt îndepărtate astfel încât interacțiunea dintre ele devine insuficientă pentru a se reține la o anumită distanță, adică gazul are capacitatea de a se extinde fără limită.
Mișcarea liberă a moleculelor în lichide și gaze conduce la schimbarea formei lor atunci când se aplică o acțiune de forță arbitrar mică. Acest fenomen se numește fluiditate. Lichidele și gazele iau forma vasului în care sunt conținute.
Ca urmare a mișcării haotice, moleculele dintr-un gaz suferă coliziuni. Procesul de coliziune a moleculelor se caracterizează printr-un diametru eficient al moleculelor, prin care se înțelege distanța minimă dintre centrele moleculelor la abordarea lor. Distanța dintre o moleculă care se deplasează între coliziuni se numește zona liberă a moleculei.
Ca urmare a transferului de impuls în timpul tranziției moleculelor care se deplasează în straturi cu viteze diferite, apare o forță tangențială între aceste straturi. Proprietatea fluidului și a gazului de a rezista forțelor de forfecare se numește viscozitate.
Aranjăm placa 1 într-un mediu lichid la o anumită distanță de perete (Figura 2.1).
Lăsați placa să se deplaseze cu viteza w față de perete 2. Deoarece lichidul va fi antrenat în placă, în spațiu se stabilește un flux stratificat de lichid cu o viteză variind de la 0 la w. Să alegem un strat de grosime în lichid. Evident, vitezele suprafețelor inferioare și superioare ale stratului vor diferi în grosime cu dw. Ca urmare a mișcării termice, moleculele trec în mod continuu de la stratul inferior la stratul superior și înapoi. Deoarece vitezele lor sunt diferite, ritmul lor este de asemenea diferit. Dar, trecând de la un strat la un strat, trebuie să ia cantitatea de mișcare caracteristică unui strat dat, adică va exista o schimbare continuă a cantității de mișcare, de la care apare o forță tangențială între straturi.
Indicați prin dT forța tangențială care acționează pe suprafața stratului de suprafață dF, atunci
Experiența arată că forța tangențială T. care trebuie aplicată la schimbare, cu atât mai mare, cu atât mai mare este gradientul de viteză care caracterizează modificarea vitezei pe unitate de distanță de-a lungul normalului dintre straturi. În plus, forța T este proporțională cu aria de contact a straturilor F, adică
În această formă, ecuația exprimă legea lui Newton de frecare internă. în conformitate cu care stresul de frecare internă care apare între straturile lichidului în timpul curgerii sale este direct proporțional cu gradientul de viteză.
Marcajul minus din partea dreaptă a ecuației indică faptul că tensiunea tangențială frânează stratul care se deplasează la o viteză relativ mare.
Coeficientul de proporționalitate în ecuațiile de mai sus se numește coeficientul de vâscozitate dinamic.
Dimensiunile coeficientului dinamic de vâscozitate în SI pot fi exprimate ca
Viscozitatea lichidelor poate fi de asemenea caracterizată de un coeficient de vâscozitate cinematic
Viscozitatea picăturilor lichide scade odată cu creșterea temperaturii, gazele cresc. La o presiune moderată, vâscozitatea gazelor nu depinde de presiune, totuși, pornind de la o anumită presiune, viscozitatea crește odată cu creșterea presiunii.
Motive pentru diferite dependențe de temperatură pentru gaze și lichide, care are o vâscozitate de gaze natură cinetică moleculară și picăturii depinde de forțele de coeziune dintre molecule.
Într-o serie de procese tehnologice chimice, lichidul de picurare intră în contact cu gazul (sau cu vaporii) sau cu un alt lichid care nu se amestecă practic cu primul.
Interacțiunea de forță a moleculelor care se află pe suprafața unui lichid și a moleculelor situate departe de acesta nu este aceeași. Molecula situată pe suprafață se află într-o stare de forță simetrică, partea superioară a câmpului de forță fiind forțată să interacționeze cu moleculele situate sub suprafață. Ca rezultat, energia de legare potențială în stratul de suprafață crește, iar stratul în sine este într-o stare mai stresantă. Acest fenomen se numește tensiune de suprafață.
Energie de legare potențială în stratul de suprafață
unde s este coeficientul de tensiune superficială; dF- este suprafața unui lichid de ordin dl2.
Energia dE poate fi reprezentată ca o forță care efectuează lucrul pe calea dl. prin urmare
Astfel, suprafața lichidului este contractată de o forță dZ proporțională cu lungimea la care acționează. Această forță se numește forța de tensionare superficială.
Tensiunea de suprafață se manifestă prin faptul că volumul selectat de lichid tinde să aibă o formă sferică, în special la volume mici - picături. Acțiunea forței de întindere a suprafeței conduce la o creștere a presiunii din interiorul picăturii îndreptate spre interiorul lichidului de-a lungul lui normal față de suprafață.
Tensiunea de suprafață scade odată cu creșterea temperaturii. Proprietățile de umectare ale picăturilor de solide sunt legate de valoare. Umezirea are un efect semnificativ asupra condițiilor hidrodinamice ale proceselor din aparatele de absorbție și rectificare, condensatoare și așa mai departe.
Tensiunea de suprafață afectează în mod semnificativ dispersia unui lichid într-un altul, care nu este amestecat cu acesta și, prin urmare, are un efect semnificativ asupra condițiilor hidrodinamice de realizare a proceselor de extracție lichidă.