2.2. Сжимаемость жидкости
Сжимаемостью называют свойство жидкости обратимым образом изменять свой объем при всестороннем сжатии.
Характеризуется сжимаемость коэффициентом объемного сжатия, который представляет собой относительное изменение объема, приходящееся на единицу давления:
, м2/Н (2.7)
Знак минус в формуле имеет символическое значение и обусловлен тем, что положительному приращению давления р соответствует отрицательное приращение (уменьшение) объема W.
Величина, обратная коэффициенту βр, представляет собой объемный модуль упругости К:
, Н/м2 (2.8)
Для
жидкостей модуль К несколько уменьшается с увеличением
температуры и возрастает с повышением
давления. Для воды он составляет при
атмосферном давлении приблизительно
2000 МПа.
В большинстве случаев жидкости можно считать практически несжимаемыми, т.е. принимать их плотность не зависящей от давления. Но при очень высоких давлениях и упругих колебаниях сжимаемость жидкости следует учитывать.
2.3. Температурное расширение жидкости
Повышая температуру жидкости, мы обычно заставляем ее молекулы удаляться друг от друга. Температурное расширение характеризуется коэффициентом температурного расширения βt, который равен относительному изменению объема W при изменении температуры на один градус:
, 1/град (2.9)
При нагревании жидкости в герметичном объеме в последнем повысится давление на величину Δр:
, Н/м2 (2.
10)Значение коэффициента температурного расширения βt зависит от давления, действующего на рассматриваемый объем жидкости. В частности, у воды он увеличивается с возрастанием давления при повышении ее температуры от 0 до 50оС и уменьшается с возрастанием давления при дальнейшем повышении ее температуры. У большинства других жидкостей коэффициент βt уменьшается с увеличением давления при любой температуре.
При гидравлических расчетах водопроводных сооружений температурным расширением воды можно пренебречь из-за незначительного изменения температуры и давления воды, а при расчете тепловых сетей температурное расширение воды учитывают.
Для воды, например, осредненное ориентировочное значение коэффициента температурного расширения
2.4. Вязкость жидкостей
При
движении жидкости в трубах и открытых
руслах каждый слой ее частиц скользит
по другому, т.
е. внутри жидкости происходит
процесс, аналогичный трению. Силы,
возникающие в результате скольжения
слоев жидкости, называют силами
внутреннего трения, или силами вязкости.
Свойство жидкости оказывать сопротивление касательным усилиям называют тангенциальной вязкостью.
Рассмотрим движение жидкости, при котором скорости отдельных ее частиц параллельны оси трубы. Опыт показывает, что такое движение жидкости существует в природе (оно называется ламинарным и в дальнейшем будет подробно изучено). Скорости частиц, расположенных в некотором поперечном сечении трубы 1-1, отличаются друг от друга (рис. 2.1).
Скорость жидкости у стенки равна нулю, возрастает по направлению к оси трубы, достигая на оси наибольшего значения Umax. Поток жидкости может быть представлен как движение отдельных бесконечно тонких цилиндрических слоев жидкости, перемещающихся с различными скоростями, увеличивающимися к оси трубы. Рис.
2.1
Вследствие
молекулярного движения молекулы жидкости
пересекают слои жидкости, движущиеся
по отношению друг к другу с относительной
скоростью, благодаря чему на поверхности
соприкасающихся слоев жидкости возникают
силы трения. При этом слои жидкости,
движущиеся быстрее, увлекают за собой
слои, движущиеся медленнее, тормозят
движение слоев, движущихся быстрее. В
таком движении частицы жидкости в виде
прямоугольника a,
b,
c,
d
деформируются в параллелограмм a
Исаак Ньютон в 1687 году сумел установить, что силы внутреннего трения, возникающие между соседними движущимися слоями жидкости, прямо пропорциональны скорости относительного движения и площади поверхности соприкосновения, вдоль которых совершается относительное движение, зависят от рода жидкости и не зависят от давления.
Гипотеза
Ньютона подвергалась многократной
опытной проверке и полностью подтвердилась.
Чрезвычайно ценные исследования для
доказательства этой гипотезы были
выполнены крупнейшим русским ученым,
профессором Н.П. Петровым (1836-1920 гг.),
создателем гидродинамической теории
смазки.
гипотеза Ньютона стала законом жидкостного трения. В математической форме он выражается следующим образом
, (2.11)
где Т – сила внутреннего трения, н; – градиент скорости, имеющий положительный или отрицательный знак в зависимости от характера изменения скорости по сечению;dU – разность скоростей движения соседних соприкасающихся слоев жидкости в предположении, что эти слои являются бесконечно тонкими, м/с; dn – расстояние между осями соседних слоев, м; ω – площадь соприкасающихся слоев, м2; μ — динамический коэффициент вязкости, Па·с.
Силу трения Т, отнесенную к единице площади ω, называют касательным напряжением:
.
(2.
12)
Жидкости, подчиняющиеся выражениям (2.11) и (2.12), принято называть ньютоновскими.
Наряду с динамической вязкостью μ в гидравлических расчетах применяют кинематическую вязкость:
,м2/с (2.13)
Единицей измерения кинематической вязкости является стокс 1 Ст = 1 см2/с. Сотая часть стокса называется сантистоксом (сСт). Приборы для измерения вязкости называются вискозиметрами. Динамическую вязкость можно определить ротационными вискозиметрами.
На практике часто сравнивают время истечения жидкости со временем истечения воды. Это отношение называют условной вязкостью (ВУ) и измеряют в градусах Энглера:
. (2.14)
Но величина условной вязкости безразмерна и при решении задач неудобна, поэтому существуют эмпирические формулы пересчета. Одна из них
ºЕ
—
,
см 2/с
(2.
15)
В США и Англии получили распространение единицы измерения вязкости в секундах Редвуда (´´Re) и Сейболта (´´S), во Франции – градусы Барбье (оВ).
Вязкость жидкостей существенным образом зависит от температуры. Она уменьшается с ее ростом. От увеличения давления вязкость также зависит, увеличиваясь с его ростом. Причем эта зависимость для разных температур будет различной.
В пределах относительно небольших давлений (0…40 МПа) вязкость, например, минеральных масел изменяется с изменением давления практически линейно (примерно в три раза). В пределах давления 0…150 МПа вязкость повышается в 17 раз, 0…400 МПа – в сотни раз. При давлениях порядка 150…2000 МПа минеральные масла затвердевают.
Кроме
ньютоновских жидкостей, существуют
жидкости аномальные (структурные),
которые не подчиняются закону Ньютона,
и поэтому их называют неньютоновскими.
Это осадки сточных вод (гели), цементные,
глинистые и меловые растворы, парафинистые
нефти вблизи температуры их застывания,
разнообразные коллоидные растворы
(белок, крахмал, клей), нефтяные эмульсии
(смеси с водой), суспензии (шламы,
гидроторф, озерный ил, битумы), молочные
продукты, кормовые смеси, различного
рода пасты.
Перечисленные аномальные жидкости подчиняются закону Шведова – Бингама
, Н/м2 (2.16)
где — начальное напряжение сдвига; µ′ — структурная вязкость.
Жидкости, подчиняющиеся выражению (2.16), называются еще бингамовскими, или вязко-пластичными. Для повышения достоверности расчетов таких жидкостей начальное напряжение сдвига , как правило, определяют экспериментально.
Сжимаемость жидкостей и элементов (Таблица)
Таблица сжимаемость элементов
Коэффициент сжимаемости определяется выражением
k = (1/V)·(δV/δP)
Где δV – изменение объема V при изменении давления на величину δP; температура предполагается постоянной.
Величина k в бар-1 (бар=108 дин/см2) даны в таблице для комнатной температуры. Чтобы выразить сжимаемость в атм-1, надо увеличить kна 1/80 его значения.
Результаты измерений k показывают его периодическую зависимость от атомного веса.
|
Элемент |
Сжимаемость элементов k*108 |
|
Сжимаемость элементов k*108 |
|
Алюминий |
1,37 |
Литий |
9,0 |
|
Бром |
51,8 |
Магний |
2,85 |
|
Висмут |
3,0 |
Марганец |
0,85 |
|
Железо |
0,59 |
Медь |
0,73 |
|
Золото |
0,61 |
Молибден |
0,46 |
|
Йод |
13,0 |
Мышьяк |
4,5 |
|
Кадмий |
2,1 |
Натрий |
15,8 |
|
Калий |
32,0 |
Никель |
0,62 |
|
Кальций |
5,8 |
Олово |
1,8 |
|
Кремний |
0,32 |
Палладий |
0,55 |
|
Платина |
0,38 |
Углерод |
0,23 |
|
Ртуть |
4,0 |
Графит |
3,0 |
|
Рубидий |
40,0 |
Фосфор (красный) |
9,2 |
|
Свинец |
2,2 |
Фосфор (белый) |
20,5 |
|
Селен |
12,0 |
Хлор (жидкий) |
95,0 |
|
Сера |
13,0 |
Хром |
0,9 |
|
Серебро |
1,0 |
Цензий |
62,0 |
|
Сурьма |
2,4 |
Цинк |
1,7 |
|
Талий |
2,3 |
|
|
Таблица сжимаемость жидкостей
k – коэффициент сжимаемости в бар-1 (бар=108 дин/см2).
Чтобы выразить сжимаемость в атм-1, надо увеличить k на 1/80 его значения.
С увеличением давления k уменьшается. При повышении температуры сжимаемость жидкостей в общем случае увеличивается, однако вода является исключением: ее сжимаемость обнаруживает минимум около 500 С. Сжимаемость растворов уменьшается с увеличением их концентрации.
|
Жидкость |
Температура, °С |
Сжимаемость жидкостей, k*108 |
|
Бензол, 8 атм |
17,9 |
90,8 |
|
Вода 1-25 атм |
15 |
48,9 |
|
900-1000 атм |
15 |
36,3 |
|
900-1000 |
198 |
35,4 |
|
2500-3000 атм |
14,2 |
25,8 |
|
Вода морская |
— |
43,1 |
|
Глицерин |
20,5 |
24,8 |
|
Керосин |
16,5 |
68,7 |
|
Кислота уксусная 1-16 атм |
0 |
40,2 |
|
Масло прованское |
20,5 |
62,5 |
|
Парафиновое |
14,8 |
61,9 |
|
Метилацетат |
14,3 |
95,8 |
|
Пентан |
20 |
314 |
|
Ртуть 8-37 атм |
20 |
3,82 |
|
T |
15 |
3,71 |
|
Сероуглерод 8-37 атм |
15,6 |
85,9 |
|
Скипидар |
19,7 |
78,14 |
|
Спирт амиловый, 8 атм |
17,7 |
89,4 |
|
Спирт бутиловый 8 атм |
17,4 |
88,9 |
|
Спирт изо |
17,9 |
96,8 |
|
Спирт метиловый |
14,7 |
102,7 |
|
Пропиловный |
17,7 |
95,8 |
|
Спирт изо |
27,8 |
101,7 |
|
Спирт этиловый 1-500 |
0 |
6 |
|
Спирт этиловый 150-200 |
310 |
4147 |
|
Углерод четыреххлористый |
20 |
89,6 |
|
Хлороморм 100-200 |
20 |
89 |
|
Этил бромистый 8-37 |
99,3 |
291,3 |
|
Этил хлористый 8-37 |
15,2 |
151,1 |
|
Этилацетат 8-37 |
13,3 |
102,7 |
|
Эфир серный 1-50 |
0 |
145,2 |
|
Эфир серный 900-100 |
0 |
64,2 |
|
Эфир серный 900-1000 |
198 |
142,2 |
14.
1: Сжимаемость — Химия LibreTexts- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 53820
Когда мы собираемся в отпуск, кажется, что всегда есть «еще одна» вещь, которую нам нужно положить в чемодан. Может быть, это еще один купальный костюм, пара туфель, книга — что бы это ни было, нам нужно его надеть. К счастью, обычно мы можем как-то сжать вещи вместе. Возможно, между складками одежды осталось немного места, или мы можем переставить обувь; каким-то образом мы можем получить этот последний предмет и закрыть чемодан.
Сжимаемость
Подводное плавание с аквалангом — это форма подводного плавания, при которой дайвер носит с собой собственный дыхательный газ, обычно в виде баллона со сжатым воздухом.
Давление в наиболее часто используемых аквалангах колеблется от 200 до 300 атмосфер. Газы отличаются от других состояний материи тем, что газ расширяется, чтобы заполнить форму и объем своего сосуда. По этой причине газы также могут быть сжаты, так что относительно большое количество газа может быть помещено в небольшой контейнер. Если бы воздух из обычного акваланга перекачивался в контейнер при стандартном давлении \(1 \: \text{атм}\), объем этого контейнера должен был бы составлять около 2500 литров.
Сжимаемость — это мера того, насколько данный объем вещества уменьшается под давлением. Если мы окажем давление на твердое тело или жидкость, объем практически не изменится. Атомы, ионы или молекулы, составляющие твердое тело или жидкость, расположены очень близко друг к другу. Между отдельными частицами нет пространства, поэтому они не могут собираться вместе.
Молекулярно-кинетическая теория объясняет, почему газы более сжимаемы, чем жидкости или твердые тела.
Газы сжимаемы, потому что большая часть объема газа состоит из большого количества пустого пространства между частицами газа. При комнатной температуре и стандартном давлении среднее расстояние между молекулами газа примерно в десять раз превышает диаметр самих молекул. Когда газ сжимается, например, при наполнении акваланга, частицы газа сближаются.
Сжатые газы используются во многих ситуациях. В больницах кислород часто используется для пациентов с поврежденными легкими, чтобы помочь им лучше дышать. Если пациенту предстоит серьезная операция, в качестве анестезии часто используется сжатый газ. Для сварки требуется очень горячее пламя, создаваемое сжатыми смесями ацетилена и кислорода. Многие летние грили для барбекю работают на сжатом пропане.
Рисунок \(\PageIndex{2}\) : Кислородный баллон. (CC BY-NC; CK-12)Сводка
Эта страница под названием 14.1: Сжимаемость распространяется под лицензией CK-12 и была создана, изменена и/или курирована Фондом CK-12 с использованием исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.
ЛИЦЕНЗИЯ ПОД
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Фонд CK-12
- Лицензия
- СК-12
- Программа OER или Publisher
- СК-12
- Показать страницу TOC
- № на стр.
- Теги
- источник@https://flexbooks.
ck12.org/cbook/ck-12-chemistry-flexbook-2.0/
- источник@https://flexbooks.
ck12.org/cbook/ck-12-chemistry-flexbook-2.0/Сжимаемые жидкости
Сжимаемые жидкостиДалее: Сжимаемость Предыдущий: Без названия
Все реальные жидкости сжимаемы, и почти все жидкости расширяются при нагревании. Волны сжатия могут распространяться в большинстве жидкостей: это знакомый звук. волны в слышимом диапазоне частот и ультразвук на более высоких частотах. Тепловое расширение вызывает тепловую конвекцию, особенно в присутствии гравитационного поля: горячий воздух поднимается вверх, а холодный опускается.
В общем случае теплопередача и движение жидкости взаимосвязаны и должны
рассматриваются вместе с использованием уравнений гидродинамики вместе с теми
термодинамики и диффузии тепла. Однако связанные уравнения
сложным, и мы начнем с упрощенного предположения, что жидкость
движения происходят либо изотермически (при постоянной температуре), либо адиабатически (при незначительной теплоотдаче), в первом приближении.
Чтобы использовать термодинамику, должна быть возможность определить температуру, которая изменяется в зависимости от положения и времени т там же так же, как определяют другие гидродинамические переменные, такие как массовая плотность, давление и скорость жидкости. Надо уметь считать объем V большим достаточно, чтобы быть макроскопическим (содержит много частиц) и достаточно маленьким, чтобы быть бесконечно малы по отношению к вариациям T ; кроме того, частица скорости в пределах V должны быть заданы распределением теплового равновесия, при просмотре в системе отсчета, движущейся вместе с жидкостью с локальной скоростью .
Мы не будем рассматривать вариации химического состава жидкости, поэтому что в действительности мы можем предположить, что объем V содержит N частиц средней массой m , а также предполагаем, что жидкость незаряжена и немагнитный. Тогда первый закон термодинамики (просто энергетический баланс) может можно сформулировать следующим образом: теплопередача dQ жидкостному элементу, содержащему N частиц вызывает изменение внутренней энергии E и объемом V согласно
| dE = dQ — pdV | (1) |
