Основные физические свойства жидкостей

В отличие от твердого тела жидкость характеризуется малым сцеплением между частицами, вследствие чет обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который ее помещают.

Жидкости подразделяют на два вида: капельные и газообразные. Капельные жидкости обладают большим сопротивлением сжатию (практически несжимаемы) и малым сопротивлением касательным и растягивающим усилиям (из-за незначительного сцепления частиц и малых сил трения между частицами). Газообразные жидкости характеризуются почти полным отсутствием сопротивления сжатию. К капельным жидкостям относятся вода, бензин, керосин, нефть, ртуть и т. п., а к газообразным — все газы. Гидравлика изучает капельные жидкости. При решении практических задач гидравлики часто пользуются понятием идеальной жидкости — несжимаемой среды, не обладающей внутренним трением между отдельными частицами.

К основным физическим свойствам жидкости относят удельный вес, плотность, сжимаемость, температурное расширение, вязкость.

Удельный вес жидкости γ представляет собой вес единицы ее объема:

,

где G — вес жидкости; V — ее объем.

Плотность жидкости — масса единицы ее объема:

,

где т — масса жидкости в объеме V.

Плотность жидкости измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м³).

Из физики известно, что вес G тела равен произведению его массы т на ускорение свободного падения g, т. е. G = тg. Тогда можно написать , а подставив значение т из этого выражения в формулу плотности, получим другое выражение для плотности жидкости:

Сжимаемость жидкости есть ее свойство изменять объем при изменении давления. Это свойство жидкости характеризуется коэффициентом объемного сжатия , выражающим относительное уменьшение объема жидкости при увеличении давления р на единицу:

Коэффициент объемного сжатия воды при изменении давления с 0,1 до 50 МПа практически остается тем же. В связи с этим при решении многих практических задач сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

Рис. 1.1. Схема возникновения сил внутреннего трения при движении жидкости

Величина, обратная коэффициенту βv, называется модулем упругости . Модуль упругости измеряется в паскалях (Па).

Температурное расширение жидкости при ее нагревании характеризуется коэффициентом температурного расширения , который показывает относительное увеличение объема жидкости при изменении температуры t на 1° С:

В отличие от других тел объем воды при ее нагревании от 0 до 4°С уменьшается. При 4°С вода имеет наибольшую плотность и наибольший удельный вес; при дальнейшем нагревании ее объем увеличивается. Коэффициент воды увеличивается с возрастанием давления при повышении ее температуры от 0 до 50°С и уменьшается с возрастанием давления при дальнейшем повышении ее температуры. Однако в расчетах многих сооружений при незначительном изменении температуры воды и давления изменением коэффициента можно пренебречь.

Вязкость жидкости — это ее свойство оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) частиц жидко­сти. Силы, возникающие в результате скольжения слоев частиц жидкости, называют силами внутреннего трения или силами вязкости.

Силы вязкости проявляются при движении реальной жидкости, если же жидкость находится в покое, то вязкость ее может быть принята равной нулю.

Еще в начале XVIII в. И. Ньютон высказал гипотезу о том, что силы внутреннего трения между частицами жидкости прямо про­порциональны скорости относительного движения и площади по­верхности соприкасающихся слоев:

, (I.1)

где [ — коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость; S — площадь поверхности соприкасающихся слоев; — градиент скорости пе­ремещения слоев, т. е. изменение скорости при переходе от слоя к слою на еди­ницу расстояния между осями этих слоев (рис, I.1); т — касательное напря­жение.

Из формулы (I.1) видно, что

(I..2)

Единицей динамической вязкости в системе СИ служит паскаль-секунда:

За единицу вязкости в системе СГС был принят пуаз (П); 1 П = -0,1 Па·с.

Для решения практических задач используют кинематическую вязкость жидкости , представляющую собой отношение динами­ческой вязкости , к плотности жидкости :

За единицу кинематической вязкости в системе СИ принят квадратный метр на секунду (м²/с). В системе СГС за единицу кинематической вязкости был принят стокc (Ст), равный 1 см²/с.

С увеличением температуры вязкость жидкости быстро уменьшается, оставаясь почти постоянной с изменением давления.

Измеряют вязкость жидкости приборами, называемыми вискозиметрами.

Глава 2. ГИДРОСТАТИКА