Некоторые свойства жидкостей и газов

Гидромеханические процессы

Основы гидравлики

К ним относятся: гидродинамические; разделение жидких и газовых неоднородных систем; перемешивание материалов и др. Эти процессы широко распространены в химической и нефтехимической промышленности:

· движение газов, паров и жидкостей в трубопроводах и аппаратах;

· разделение гетерогенных систем путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования и т. д.

Все эти процессы основаны на общих законах движения потоков. Скорость их описывается законами гидромеханики.

Гидромеханика – это раздел механики, изучающий движение жидких и газообразных сред.

По величине числа Кнудсена можно выделить 3 области, изучаемой гидромеханикой:

К _n =     l / L,

где: l - длина свободного пробега молекул,  - размер обтекаемого тела

1. К _n   < 0,01 т.е.

В этой области среда рассматривается как сплошная. Молекулы среды как бы прилипают к обтекаемой стенке, поэтому W _ст = 0. Это классическая гидродинамика.

 

2. 0,01 < К _n < 1.

Это переходная область, в которой среду еще можно рассматривать как сплошную, но на стенке молекулы проскальзывают, т.е. W _ст

 

3. К _n > 1

В этой области среднестатистическая молекула соприкасается со стенкой только один раз. Это механика разряженного газа.

 

Практическое приложение законов гидромеханики изучается в гидравлике, которая состоит из двух разделов:

· гидростатики (учение о равновесии жидкостей),

· гидродинамики (учение о движении жидкостей).

Гидравлику важно знать не только потому, что ее законы лежат в основе вышеуказанных процессов. Скорость движения среды, направление, режим движения и др. факторы оказывают большое влияние на скорость химических реакций, протекающих в технологических аппаратах, скорость передачи тепла в теплообменном аппарате, скорость массообменных процессов.

Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга, и зависят от сил сцепления между молекулами.

Свойство реальной жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению частиц, называется вязкостью.

Выделим в потоке жидкости два параллельно текущих на расстоянии dn слоя площадью F каждая. Пусть нижний слой движется со скоростью w. Если на верхний слой подействует внешняя сила Т, преодолевающая сопротивление, то он приобретет скорость (w + dw).

Ньютон установил, что сила внутреннего трения, проявляющаяся при перемещении двух слоев реальной жидкости, прямо пропорциональна градиенту скорости и поверхности соприкосновения слоев:

Возникающая внутри жидкости сила сопротивления равна приложенной силе Т и направлена в противоположную сторону.

На единицу поверхности:

 

Знак минус означает, что сила внутреннего трения направлена в сторону, противоположную градиенту скорости.

Напряжение внутреннего трения (касательное напряжение) прямо пропорционально градиенту скорости.

Коэффициент пропорциональности  называется динамическим коэффициентом вязкости или динамической вязкостью (или просто вязкостью).

     (СИ); Па^.с

1 пуаз это динамическая вязкость такой жидкости, у которой сила в 1 дин перемещает слой жидкости поверхностью  каждый, находящийся на расстоянии  друг от друга, с относительной скоростью

Применяется также кинематический коэффициент вязкости или кинематическая вязкость:

Вязкость капельных жидкостей колеблется в широких пределах.

С ростом температуры вязкость жидкостей значительно уменьшается!!!, давление практически не влияет.

Вязкость газов существенно ниже (воздух ).

С ростом температуры вязкость газов и паров увеличивается!!!, от давления зависит слабо (лишь при давлениях выше 100 атм.)

 

 

Эти отличия объяснятся, тем что природа сил внутреннего трения различна для газов и жидкостей.

1.Вязкость газов имеет молекулярно-кинетическую природу. Молекулы, обмениваясь между слоями вследствие теплового движения, тормозят или ускоряют соседние слои, что воспринимается как вязкость.

С ростом температуры количество переходящих молекул растет, так как увеличивается скорость теплового движения.

Ошибка

С ростом давления относительный обмен молекулами между слоями не изменяется, так как растет концентрация во всем объеме следовательно давление не влияет.

2. Вязкость капельных жидкостей обусловлена наличием сил сцепления между молекулами.

С ростом температуры увеличивается расстояние между молекулами - уменьшаются силы связи и вязкость падает.

С ростом давления объем жидкости и расстояние между молекулами практически не изменяются – вязкость постоянна.

Для смеси жидкостей вязкость может быть найдена по приближенной формуле:

Для смеси газов:

Большинство капельных жидкостей подчиняется закону Ньютона.     Их называют нормальными или ньютоновскими.

Для некоторых жидкостей закон Ньютона не соблюдается. Это пластичные или неньютоновские жидкости: растворы полимеров, коллоидные растворы, пасты, густые суспензии, шламы, краски и т.д. Для них характерно наличие более прочных связей между молекулами и отдельными группами молекул, что приводит к значительному возрастанию вязкости и особым текучим свойствам.

Вязкость неньютоновских жидкостей при данных Т и Р не остается постоянной, а изменяется в зависимости от скорости сдвига, его продолжительности и других факторов.

Эти жидкости можно разбить на три группы:

I. Стационарные неньютоновские жидкости.

Для них функция  не зависит от времени.

1. Бингамовские пластические жидкости (кр. 2) (Масла, краски, пасты, густые шламы)

Они начинают течь только после достижения определенного напряжения сдвига (), которое называется пределом текучести. При  они ведут себя как обычные ньютоновские жидкости

2. Псевдопластичные жидкости (кр. 3) (растворы высокомолекулярных полимеров)

Они начинают течь, как ньютоновские жидкости уже при малых . Однако зависит от  Значение  снижается с увеличением  и превращается в

3. Дилатантные жидкости ( увеличивается с возрастанием  ; суспензии с высоким содержанием твердой фазы) Они менее распространены.

II. Это класс жидкостей для которых зависимость  меняется во времени.

Различают: а) тиксотропные жидкости, для которых напряжение сдвига с увеличением длительности воздействия нагрузки уменьшается (они разжижаются при перемешивании). Например: краски, молочные продукты и др.

б) реопектантные, для которых напряжение сдвига возрастает с увеличением длительности воздействия нагрузки (они густеют при перемешивании)

  III.   Вязкоупругие (максвелловские) жидкости

Эти жидкости текут под воздействием напряжения , но после снятия напряжения частично восстанавливают свою первоначальную форму, т.е. ведут себя подобно упругим телам (смолы и тестообразные вещества).

 

Основные понятия и законы гидростатики

В гидростатике рассматривается равновесие жидкостей, находящихся в общем случае, в состоянии относительного покоя, при котором в движущейся жидкости ее границы не перемещаются друг относительно друга. При этом силы внутреннего трения отсутствуют и жидкость можно рассматривать как идеальную.

Пример: движущаяся цистерна с жидкостью.

В неподвижном сосуде жидкость находится в абсолютном покое, который является частным случаем относительного покоя.

Представим себе элементарную площадку  внутри объема покоящейся жидкости. Независимо от положения площадки в данной точке объема на нее будет действовать сила  давления жидкости, направленная по нормали к элементарной площадке.

Силу, отнесенную к единице площади, называют средним гидростатическим давлением:

Предел  называется гидростатическим давлением в данной точке.   сила давления.

Размерность давления:

Свойства гидростатического давления:

1. Гидростатическое давление всегда направлено по нормали к поверхности, с которой жидкость соприкасается.

Если бы сила давления была направлена под углом, то ее можно было бы разложить на нормальную и касательную составляющие. Последняя бы вызвала перемещение жидкости, что противоречит условию ее не подвижности.

2. Величина гидростатического давления в любой точке одинакова по

всем направлениям, иначе также происходило бы перемещение жидкости.

В различных же точках давление различно, в зависимости от положения этих точек в жидкости.

Дымовая труба.

Давление для точки 1 у основания трубы:

Давление для точки 2:

 

Поскольку

Таким образом, у основания трубы появляется разность давления, вследствие чего тяжелый наружный воздух передавливает горячие газы и удаляет их из трубы.

Труба работает тем лучше, чем она выше и чем выше температура отходящего газа (материал для трубы лучше использовать с малой теплопроводностью).

Сифон.

Он обеспечивает переток жидкости без применения запорной арматуры. Слева на точку 1 действует давление:  (компенсируется высотой столба жидкости)

Справа:

Так как по условию работы сифонов

 

Возникающая разность давлений заставляет жидкость течь по трубе сифона.

Сифон может работать только тогда, когда он полностью заполнен жидкостью. Столб воздуха не может создать . На воздухе работать сифон не может (малое .

4. Сепаратор для эмульсий (очень важный аппарат на НПЗ)

 

Легкая жидкость удаляется через верхний штуцер, тяжелая – через U-образный гидрозатвор.

При равновесии каждой точки давление одинаково в любом направлении:

При допущении, что давление над жидкостью внутри аппарата и на выходе из затвора одинаково.

Гидромеханические процессы

Основы гидравлики

К ним относятся: гидродинамические; разделение жидких и газовых неоднородных систем; перемешивание материалов и др. Эти процессы широко распространены в химической и нефтехимической промышленности:

· движение газов, паров и жидкостей в трубопроводах и аппаратах;

· разделение гетерогенных систем путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования и т. д.

Все эти процессы основаны на общих законах движения потоков. Скорость их описывается законами гидромеханики.

Гидромеханика – это раздел механики, изучающий движение жидких и газообразных сред.

По величине числа Кнудсена можно выделить 3 области, изучаемой гидромеханикой:

К _n =     l / L,

где: l - длина свободного пробега молекул,  - размер обтекаемого тела

1. К _n   < 0,01 т.е.

В этой области среда рассматривается как сплошная. Молекулы среды как бы прилипают к обтекаемой стенке, поэтому W _ст = 0. Это классическая гидродинамика.

 

2. 0,01 < К _n < 1.

Это переходная область, в которой среду еще можно рассматривать как сплошную, но на стенке молекулы проскальзывают, т.е. W _ст

 

3. К _n > 1

В этой области среднестатистическая молекула соприкасается со стенкой только один раз. Это механика разряженного газа.

 

Практическое приложение законов гидромеханики изучается в гидравлике, которая состоит из двух разделов:

· гидростатики (учение о равновесии жидкостей),

· гидродинамики (учение о движении жидкостей).

Гидравлику важно знать не только потому, что ее законы лежат в основе вышеуказанных процессов. Скорость движения среды, направление, режим движения и др. факторы оказывают большое влияние на скорость химических реакций, протекающих в технологических аппаратах, скорость передачи тепла в теплообменном аппарате, скорость массообменных процессов.

Некоторые свойства жидкостей и газов

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары единым названием «жидкость». Это объясняется тем, что законы движения жидкостей и газов практически одинаковы, если их скорости не превышают скорости звука.

Жидкостью называются все вещества, обладающие текучестью и принимающие всегда форму того объема, в котором они находятся.

При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие идеальной жидкости.

Свойства идеальной жидкости:

1. Несжимаема под действием давления.

2. Не изменяет плотности при изменении температуры.

3. Не обладает вязкостью, обусловленной трением частиц друг с другом.

Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными и упругими (газы или пары).

Капельные жидкости практически несжимаемы (вода 1-200 атм. V уменьшается на 1/200), обладают очень малым коэффициентом объемного расширения при нагревании или охлаждении.

Упругие жидкости (газы), напротив, обладают очень большой сжимаемостью или упругостью (изменением объема при изменении давления) и сравнительно большим коэффициентом объемного расширения.

 

Рассмотрим некоторые свойства жидкостей и газов.

1. Плотность и удельный вес

Масса единицы объема называется плотностью

ρ  ; СИ: [кг/м³] MKS: [кг]

Вес единицы объема жидкости называется удельным весом:

Плотность и удельный вес капельных жидкостей значительно выше, чем упругих.

Плотность газов может быть выражена через мольный объем: 1 кмоль газа при 0⁰С и 760 мм рт. ст. занимает 22,4 м³

При изменении условий по уравнению Клайперона получаем:

Плотность смеси газов подчиняется правилу аддитивности (сложения)