Изучение основных физических свойств жидкостей

Цель и задача лабораторной работы

Цель – получение студентами навыков постановки и проведения гидравлических экспериментов, освоение техники измерений различных величин при проведении гидравлических экспериментов.

Задача – определение плотности, коэффициента теплового расширения, кинематического коэффициента вязкости и коэффициента поверхностного натяжения жидкостей.

Результат работы представляется в виде таблиц значений измеряемых величин.

Основные теоретические положения

Жидкостью называют малосжимаемое тело, изменяющее свою форму под действием самых малых сил. Жидкость течёт под действием собственного веса, если есть возможность.

Жидкости делятся на малосжимаемые (капельные) и сжимаемые (газообразные). С точки зрения физики капельные жидкости сильно отличаются от газов. С позиций механики различие не велико и часто законы, справедливые для капельных жидкостей, могут применяться к газам и наоборот.

Жидкости характеризуются параметрами и свойствами, основные из которых – температура, давление, плотность, сжимаемость, тепловое расширение, вязкость и поверхностное натяжение.

Температура T – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Измеряют температуру различными термометрами: газовыми, жидкостными, манометрическими, термоэлектрическими, пирометрами. За единицу абсолютной температуры в Международной системе единиц (СИ) принят кельвин (К). Часто температуру измеряют по шкале Цельсия (t), значения t связаны с Травенством t = Т – 273,15 К (градус Цельсия равен Кельвину).

Давление p - физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных (перпендикулярных к поверхности) сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого (например, фундамент здания на грунт, жидкость на стенки сосуда, газ в цилиндре двигателя на поршень и т. п.). Если силы распределены вдоль поверхности равномерно, то давление р на любую часть поверхности равно , где S — площадь этой части, F — сумма приложенных перпендикулярно к ней сил. При неравномерном распределении сил это равенство определяет среднее давление на данную площадку, а в пределе, при стремлении величины S к нулю, — давление в данной точке. В случае равномерного распределения сил давление во всех точках поверхности одинаково, а в случае неравномерного — изменяется от точки к точке.

Единицей давления в системе СИ является Н/м²=Па. Давление воздуха принято измерять в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Измеряют давление различными манометрами – жидкостными, поршневыми, деформационными (пружинными). Жидкостные манометры, служащие для измерения малых избыточных давлений и разрежений менее 5 кПа (37,5 мм pm. ст.), называются микроманометрами. Области применения манометров показаны на рисунке 1.1. Достаточно широко применяются внесистемные единицы измерения: техническая атмосфера (техн. атм.), кгс/см² и другие.

Рисунок 1.1 - Области применения манометров различных типов

Плотность ρ– масса, заключённая в единице объёма , где m – масса жидкости, W – объём, занимаемый этой жидкостью. В системе СИ единицей плотности является кг/м³. На практике пользуются также внесистемными единицами плотности: г/л, т/м³ и др. Для измерения плотности веществ применяют плотномеры, пикнометры, ареометры, гидростатическое взвешивание. По принципу действия плотномеры для измерения плотности жидкостей (они наиболее распространены) делятся на следующие основные группы: поплавковые, весовые, гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые.

Плотности основных веществ и материалов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Плотность веществ, материалов и минералов

В кг/м³

¹ При температуре 0 °С и давлении р = 101325 Па (1,0332 кгс/см²).

² При 20 °С и р = 98066 Па (1 кгс/см²).

Сжимаемость – свойство жидкости изменять объём при изменении давления. Величину сжимаемости (объёмной упругости) характеризует коэффициент сжимаемости b_p, который выражает уменьшение единичного объёма тела при увеличении давления на одну единицу: , где DW, и Dr — изменения объёма W и плотности r при изменении р на величину Dр. Для капельных жидкостей коэффициент сжимаемости мал, а для газов велик. При повышении давления на 9,8ּ10⁴ Па (1 ат) объём воды уменьшается на 1/20000 часть первоначальной величины, поэтому сжимаемостью воды можно пренебрегать, считая плотность и удельный вес воды не зависящим от давления.

Тепловое расширение – свойство жидкости менять объём при изменении температуры. Температурное расширение характеризуется коэффициентом теплового расширения β_T, выражающим относительное увеличение объёма жидкости при увеличении температуры на 1 градус:

, (1.1)

где W – первоначальный объём жидкости;

DW – изменение этого объёма при повышении температуры на DT.

Коэффициент температурного расширения капельных жидкостей мал, однако при значительных разностях температур тепловое расширение приходится учитывать. Газы характеризуются высокими значениями коэффициента температурного расширения.

Вязкость – свойство жидкости сопротивляться относительному сдвигу слоёв. Вязкость характеризует степень текучести жидкости или подвижность её частиц. Оценивается вязкость динамическим коэффициентом вязкости μ, который измеряется в паскалях в секунду (Паּс). Наряду с понятием динамической (абсолютной) вязкости находит применение понятие кинематической вязкости. Коэффициент кинематической вязкости ν представляет собой отношение динамического коэффициента к плотности жидкости:

.

Коэффициенты эти определяются видом жидкости и не зависят от скорости течения.

В размерности коэффициента кинематической вязкости отсутствует единица силы. В системе СИ размерность кинематического коэффициента м²/с. Кинематическая вязкость капельных жидкостей мало зависит от давления при давлениях, встречающихся на практике (до 200 ат), поэтому зависимостью от давления в расчётах пренебрегают. Кинематическая вязкость газов уменьшается с повышением давления.

Экспериментально вязкость жидкостей определяется вискозиметрами. Наиболее распространены вискозиметры капиллярные, ротационные, с падающим шариком, ультразвуковые.

Поверхностное натяжение – свойство жидкости образовывать поверхностный слой взаимно притягивающихся молекул. Характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения σ, равным силе на единице длины контура свободной поверхности. Единица измерения этого коэффициента Н/м. Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы соприкасающихся сред. Для границы раздела вода-воздух при t=+20°С коэффициент поверхностного натяжения σ=0,073 Н/м, для границы ртуть-воздух σ=0,48 Н/м. Поверхностное натяжение жидкости чувствительно к её чистоте и температуре. При повышении температуры величина коэффициента поверхностного натяжения уменьшается, а в критической точке перехода жидкости в пар обращается в нуль.

Таблица 1.2 Свойства применяемых жидкостей

Значения плотности, коэффициентов сжимаемости, теплового расширения, кинематической вязкости и поверхностного натяжения некоторых жидкостей указаны в таблице 1.2.