ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКОСТЕЙ И Молекулярная структура и особенности жидкого и газообразного состояний из "Техническая гидромеханика 1978 " Свободное беспорядочное движение молекул газа обусловливает его расширение во все стороны, благодаря чему газ не имеет определенного объема и собственной формы, а занимает объем и принимает форму сосуда, в который газ заключен. [c.8] Стенки сосудов, содержащих газ, испытывают удары беспорядочно движущихся молекул. Вследствие этих ударов газ развивает силовое воздействие на стенки. [c.8] Произведение пт представляет собой массу единицы объема газа и называется его плотностью р. [c.8] Если к граничной поверхности некоторого объема газа приложена произвольная сдвигающая сила, то движение молекул газа, оставаясь хаотическим, приобретает преимущественную направленность. Таким образом, возникает течение газа в направлении действия силы и происходит деформация его объема. Деформация непрерывно возрастает в течение времени действия силы. Любая малая сдвигающая сила при длительном действии может вызвать значительную деформацию. Свойство среды неограниченно деформироваться под действием постоянной силы называют текучестью. Таким образом, газы обладают свойством текучести. [c.9] Это свойство не означает отсутствия сопротивления сдвигу в среде. Несмотря на текучесть, газы сопротивляются сдвигающим усилиям. Сопротивление проявляется в том, что данной силой можно обусловить только определенную скорость деформации и для ее увеличения нужно увеличить силу. Свойство среды сопротивляться сдвигающим усилиям называют вязкостью или внутренним трением. В газах вязкость обусловлена хаотическим движением молекул. Так, при относительном смещении слоев газа со скоростями ии и + Аи (рис. 2) благодаря тепловому движению молекул происходит их перемещение из слоя в слой и соответствующий перенос количества движения. Это приводит к выравниванию скоростей слоев, обусловленному появлением силы Тц, препятствующей их относительному сдвигу. [c.9] Для поддержания движения слоев с разностью скоростей Аи необходимо приложить внешнюю силу, преодолевающую силу сопротивления, которая называется силой вязкости или силой внутреннего трения. [c.9] Сила вязкости, приходящаяся на единицу площади поверхности раздела двух слоев, называется вязкостным (касательным) напряжением т и определяется соотношением Г.. [c.9] Для совершенного газа величину касательного напряжения Тр можно вычислить, применив теорему импульсов к массе молекул, пересекающих единичную площадь на плоскости раздела слоев. [c.10] Поскольку при повышении температуры скорость с возрастает, динамический коэффициент вязкости газа должен также возрастать. [c.10] При постоянной температуре плотность р газов изменяется прямо пропорционально давлению, а длина свободного пробега I молекул — обратно пропорционально. Среднее значение с1 зависит только от температуры. Поэтому, как следует из соотношения (1-6), коэффициент вязкости р для газов не должен зависеть от давления. Этот вывод достаточно хорошо подтверждается опытом в широком диапазоне давлений. Но при весьма низких давлениях, характерных для разреженных газов, и при больших давлениях, когда газы близки к сжижению, проявляется влияние давления на величину вязкости, С возрастанием давления в этих случаях вязкость растет. [c.10] Характер теплового движения молекул в жидкостях сложнее, чем в твердых телах. Согласно упрощенной, но, по-видимому, качественно верной модели, тепловые движения молекул жидкости представляют нерегулярные колебания относительно некоторых центров. Кинетическая энергия колебаний отдельных молекул в какие-то моменты может оказаться достаточной для иреодоления межмолекулярных связей. Тогда эти молекулы получают возможность скачком перейти в окружение других молекул, тем самым поменяв центр колебаний. Таким образом, каждая молекула некоторое время называемое временш оседлой жизни , находится в упорядоченном строю с несколькими ближайшими соседками . Совершив перескок, молекула жидкости оказывается среди новых молекул, выстроенных уже другим образом. Поэтому в жидкости наблюдается только ближний порядок в расположении молекул. Скачки молекул совершаются хаотически, новое место никак не предопределено прежним. Непрерывно и в большом количестве совершающиеся скачкообразные переходы молекул с места на место обеспечивают диффузию молекул и текучесть жидкостей. Если на границе жидкости приложена сдвигающая сила, то, как и в газах, появляется преимущественная направленность скачков и возникает течение жидкости в направлении силы. [c.11] Для большинства жидкостей величина силы при этом может быть любой сколь угодно малой. Однако существуют жидкости с настолько упорядоченной молекулярной структурой, что требуется некоторое начальное усилие для осуществления сдвига. Такие жидкости называют пластичными. Если время действия сдвигающей силы мало по сравнению с то непрерывного перемещения молекул вообще не возникает, и жидкости, как твердые тела, оказывают упругое сопротивление сдвигу. Если время действия сдвигающей силы больше то возникает течение и проявляется вязкость, т. е. сопротивление сдвигу. Сила сопротивления может о казаться так же, как в газах, пропорциональной скорости деформации. В этом случае жидкости называют ньютоновскими. Если связь между силой сопротивления и скоростью деформации отлична от линейной или начальное сдвиговое усилие не равно нулю, то жидкости называют неньютоновскими. [c.11] Механизм сопротивления жидкостей сдвигу отличается от такового в газах. Поскольку движение жидкости является результатом направленного движения перескакивающих молекул, то чем меньше перескоков, тем большее сопротивление оказывает жидкость сдвигающим усилиям, т. е. тем больше вязкость жидкости. С повышением температуры растет кинетическая энергия молекулярного движения и увеличивается число перескоков, что воспринимается как уменьикние вязкости. Изменение давления мало влияет на вязкость жидкости. [c.11] Сложность молекулярного строения жидкостей затрудняет получение теоретическим путем достаточно общих связей между молекулярными характеристиками и статистическими величинами температурой, давлением, коэффициентом вязкости. Поэтому в гидромеханике пользуются для жидкостей экспериментально установленными зависимостями между этими величинами. Некоторые из таких зависимостей будут приведены в 4 настоящей главы. [c.12] При всех различиях в молекулярной структуре твердых тел, жидкостей и газов между ними не всегда можно провести четкую границу. Многие тела, которые мы привыкли считать твердыми, при определенных условиях ведут себя как жидкости, а некоторые жидкости проявляют свойства твердых тел. Так, например, асфальт при мгновенном резком приложении силы ведет себя как твердое тело, а при длительном действии той же силы течет как жидкость. Существуют материалы, [которые ведут себя как упругие твердые тела, если они длительно находятся, в состоянии покоя, и проявляют свойства жидкостей при интенсивном перемешивании. В концентрированных полимерных растворах могут одновременно проявляться свойства твердых тел и жидкостей. [c.12] В гидромеханике рассматриваются макроскопические движения жидкостей и газов, а также силовое взаимодействие этих сред с твердыми телами. При этом, как правило, размеры рассматриваемых объемов жидкостей, газов и твердых тел оказываются несопоставимо большими по сравнению [с размерами молекул и межмолекулярными расстояниями. Это естественно, поскольку межмолекулярные расстояния в жидкостях составляют всего 10 —10 см, а длина свободного пробега молекул газа при атмосферном давлении 10 см и изменяется обратно пропорционально давлению.,По этой причине обычно жидкости и газы воспринимаются как сплошные среды, масса которых непрерывно распределена по объему. Исключение составляют сильно разреженные газы. [c.12] Указанные обстоятельства позволяют ввести гипотезу сплошности изучаемой среды и заменить реальные дискретные объекты упрощенными моделями, представляющими собой материальный континуум, т. е. материальную среду, масса которой непрерывно распределена по объему. Такая идеализация упрощает реальную дискретную систему и позволяет использовать для ее описания хорошо разработанный математический аппарат исчисления бесконечно малых и теорию непрерывных функций. [c.12] Критерием приемлемости всякой гипотезы является степень совпадения результатов, полученных на ее основе, с результатами наблюдений и измерений. В настоящее время можно констатировать, что опыт механики жидкости и газа полностью подтверждает правомерность использования гипотезы сплоЩной среды в широком диапазоне изменения параметров. [c.13] Теоретические результаты, полученные для гипотетической сплошной среды, тем лучше совпадут с результатами наблюдений, чем полнее и точнее учтены в ней свойства реальных жидкостей и газов. К сожалению, идеализацию среды во многих случаях не удается ограничить только допущением ее сплошности. Сложность изучаемых явлений заставляет отказываться от учета и некоторых других свойств реальных сред. В зависимости от тех свойств, которые приписываются гипотетической сплошной среде, получают различные ее модели. Всякая идеализация среды имеет границы применимости, в которых получаются результаты, удовлетворительные с точки зрения запросов практики. При использовании результатов, полученных для идеализированной среды, важно поэтому знать границы их применимости и точность в этих границах. Установление границ применимости является непростым делом, требующим знания существа явлений или хотя бы интуитивно правильного их понимания. [c.13] В механике жидкостей и газов широко используется понятие жидкой частицы . Этим термином обозначают малый объем сплошной среды, который при движении деформируется и масса которого не смешивается с окружающей средой. Несколько упрощенно жидкую частицу можно представить как каплю краски, пущенную в жидкость тех же свойств, что и сама капля, и перемещающуюся вместе с жидкостью. При изучении равновесия и движения жидкостей и газов жидкая частица рассматривается как материальный объект, к которому применимы все законы механики. Изучаемая масса жидкости или газа рассматривается при этом как совокупность непрерывно распределенных по объему жидких частиц. [c.13] Вернуться к основной статье