учебник. 08 Уч. пос 1.15 Гидравлика РД. Учебное пособие Воронеж 2011 фгбоу впо Воронежский государственный технический университет
 Скачать 2.95 Mb.
|
|
7.Силы поверхностного натяжения. Молекулярные связи в жидкости по всем направлениям однородны. Однако однородность молекулярных связей нарушается на её границах с газом и твердыми телами. Со стороны газов и несмачиваемых твердых тел они оказываются слабее, чем внутри жидкости. Со стороны смачиваемых твердых телпрочнее. Представим схематично составляющие каплю молекулы воды в виде шариков (рис. 1.6). Рис. 1.6. Модель молекулы воды Равновесие внутри капли обеспечивается однородностью силового поля по всем направлениям со стороны молекул типа 1. Каждая молекула поверхностного слоя сжимает жидкость внутри капли с силой . Равнодействующая сила молекулярного давления направлена внутрь жидкости и называется силой поверхностного натяжения. Силы поверхностного натяжениястремятся придать объему жидкости сферическую форму и вызывают некоторое дополнительное давление . Однако это давление заметно сказывается лишь при малых объемах жидкости и для сферических объемов (капель) определяется формулой , (1.19) где - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, зависящий от природы соприкасающихся тел (Н/м); - радиус сферы (м). Коэффициент - величина, равная силе, с которой две соседние частицы свободной поверхности взаимодействуют друг с другом в пределах разделяющей их линии. Исходя из определения, имеет размерность энергии на единицу площади или силы на единицу длины. Для различных жидкостей, граничащих с воздухом, при температуре 200С коэффициент имеет значения, приведённые в таблице 1.3. С ростом температуры поверхностное натяжение уменьшается. Таблица 1.3 Значение коэффициента поверхностного натяжения
Силы поверхностного натяжения удерживают свободную поверхность от разрушении и стягивают ее, стремясь свести к минимуму. Как известно из всех возможных форм тела минимум свободной поверхности имеет шар. Шаровую форму и принимает капля в невесомости, когда отсутствуют другие силы. В трубках малого диаметра (капиллярах) дополнительное давление, обусловленное поверхностным натяжением, вызывает подъем (или опускание) жидкости относительно нормального уровня, характеризующий капиллярность жидкости (рис. 1.7). Рис. 1.7. Явление капиллярности в жидкости Если стенки капилляра смачиваются, то местное снижение молекулярного давления в нём создает перепад, который уравновешивается весом жидкости за счет высоты капиллярного поднятия. В капиллярах из не смачиваемых материалов наблюдается снижение уровня жидкости. С явлением капиллярности приходится сталкиваться при использовании стеклянных трубок в приборах для измерения давления, а также в некоторых случаях истечения жидкости. Большое значение приобретают силы поверхностного натяжения в жидкости, находящейся в условиях невесомости. Поверхностное натяжение жидкости чувствительно к её чистоте и температуре. Вещества, способные в значительной степени снизить силы поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными веществами (ПАВ). При повышении температуры величина поверхностного натяжения уменьшается, а в критической точке перехода жидкости в пар обращается в нуль. 8. Испаряемость. У молекул жидкости возможно повышение кинетической энергии за счет колебательного движения. На контакте с газом это позволяет молекуле оторваться от жидкой среды и перейти в газовую. В результате этого над её поверхностью образуются пары жидкости. Таким образом, испарением называется процесс перехода из жидкого (или твердого) состояния в газообразное (пар). Чем выше концентрация паров над поверхностью жидкости, тем выше вероятность и обратного процесса – перехода отдельных частиц пара в жидкость. Этот процесс происходит до тех пор, пока пар над поверхностью жидкости не станет насыщенным. Если внешнее давление при данной температуре станет равным давлению, то испарение переходит в кипение. Соответствующая этому состоянию температура называется температурой кипения . Каждому значению температуры, например воды, соответствует давление, при котором наступает кипение (Таблица 1.4): Таблица 1.4
Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых они находятся. В закипевшей жидкости устанавливается температура и давление точки кипения. Повышение температуры или снижение давления приводит к увеличению интенсивности кипения В гидросистемах нормальное атмосферное давление является лишь частным случаем. Обычно в гидросистемах приходится иметь дело с испарением, а иногда и кипением жидкостей в замкнутых объемах при различных температурах и давлениях. Поэтому более полной характеристикой испаряемости является давление насыщенных паров ,выраженное в функции температуры. Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости. С увеличением температуры давление увеличивается, однако, у разных жидкостей в разной степени. Если для простой жидкости рассматриваемая зависимость является вполне определенной, то для сложных жидкостей, представляющих собой многокомпонентные смеси (например, для бензина и др.), давление зависит не только от физико-химических свойств и температуры, но и от соотношения объемов жидкой и паровой фаз. Давление насыщенных паров возрастает с увеличением части объема, занятого жидкой фазой. Обычно значения упругости паров сложных жидкостей даются для отношения паровой и жидкой фаз, равного 4:1. Зависимость давления насыщенных паров от температуры для некоторых жидкостей приведены в таблице 1.5. Таблица 1.5 Давление насыщенных паров некоторых жидкостей,
Продолжение Таблицы 1.5
9. Кавитация (от лат. cavitas – пустота) – нарушение сплошности внутри жидкости, т.е. образование внутри жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т.н. кавитация пузырьков или каверн). Кавитация в гидросистемах возникает в результате местного уменьшения давления ниже давления насыщенных паров этой жидкости при данной температуре. Если понижение давления происходит вследствие местного повышения скорости в напорном потоке капельной жидкости, то кавитацию называют гидродинамической; в случае же понижения давления вследствие прохождения в жидкости акустических волн – акустической. Кавитация сопровождается вибрацией, шумом, эрозионным разрушением рабочих органов, а также снижением кпд гидротурбин, насосов, гребных винтов и т.п. Искусственная акустическая кавитация лежит в основе большинства практических применений ультразвука (очистка материалов от окалины, передача и прием информации и т.д.). 10. Растворимость газов в жидкостяххарактеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости. Растворимость газов различна для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления. Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, т.е. , (1.20) где - объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям ; - объем жидкости; — коэффициент растворимости; - давление жидкости. Значение коэффициента при 20 °С: воды - 0,016, керосина - 0,13, минеральных масел - 0,08, жидкости АМГ-10 — 0,1. При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказываться на качестве работы гидросистем и способствовать появлению кавитации. Явление поглощения веществ или газов на поверхности твердого тела или жидкости называется адсорбцией. Адсорбцию применяют для очистки воды, газов (например, воздуха в противогазе), в вакуумной технике, хромотографии и т.д. 11. Многофазные системы. Системы, состоящие из нескольких фаз, называются многофазными (полифазными). Простейшим случаем многофазной системы являются двухфазные системы. Как уже указывалось, в гидравлике и аэродинамике реальная жидкость обычно заменяется моделью в виде непрерывной среды. Однако в некоторых особых случаях приходится сталкиваться с нарушением сплошности (непрерывности) жидкости. В таких случаях можно, как правило, выделить границы раздела, отделяющие одну непрерывную среду (фазу) от другой, причем при переходе через такие границы свойства жидкости меняются скачкообразно. Для примера можно назвать следующие многофазные системы: газ — капли жидкости (форсунки ракетного двигателя, распылители, сушилки, газовое охлаждение, испарение); газ — твердые частицы (пневмотранспорт, пылеулавливание); жидкость — пузырьки пара (испарители, эрлифты); жидкость — твердые частицы (гидротранспорт, осаждение). Во всех этих примерах первая из указанных фаз (основная) условно называется непрерывной, вторая — дискретной. При некоторых условиях многофазные системы могут переходить в однородные (гомогенные) и наоборот. Например, в воде при обычных условиях находится растворенный воздух. При снижении давления и повышении температуры воздух начинает выделяться, образуя воздушные пузыри значительных размеров; иными словами, наблюдается переход однофазной системы (вода) к двухфазной (вода+газ). С образованием двухфазных систем связаны процессы фазовых переходов. Так, в воде при повышении давления и понижении температуры зарождаются кристаллы льда, т.е. образуется двухфазная система — вода + твердые частицы. Наоборот, при понижении давления жидкости до уровня давления насыщенного пара жидкость вскипает, образуя пузыри, заполненные насыщенными парами воды. Количество дискретной фазы в непрерывной среде определяется величиной объемной концентрации. Обычно за объемную концентрацию принимается отношение объема, занятого дискретной фазой, к общему объему многофазной системы. , (1.21) где и — объемы дискретной и непрерывной фаз в многофазной системе. Среднюю плотность многофазной системы можно представить в следующем виде: , (1.22) где и — плотности соответственно дискретной и непрерывной фаз. Примеры к разделу 1. Рассмотрим два примера, полагая в обоих случаях . Пример 1.1. Дано: ; . Найти относительное изменение объема газа при повышении давления. 1) , 2) , или 3) . Следовательно, относительное изменение объема при повышении давления на 1 ат составляет 50% от начального объема. Пример 1.2. Дано: : . Найти относительное изменение объема газа при повышении давления. 1) , или 2) . Таким образом, при заданных условиях относительное изменение объема газа при повышении давления на 1 ат составляет 25% от начального объема. Эти примеры подтверждают, что относительная сжимаемость газа существенно изменяется с изменением абсолютного давления. Еще важнее, что сжимаемость газа несоизмеримо больше сжимаемости капельной жидкости. Например, с изменением давления на 1ат объем воды изменяется на 0,006%, объем газа на 50%, 25% и т.д. Вот почему при решении обычных задач гидродинамики сжимаемостью капельной жидкости можно пренебречь, а сжимаемость газа следует, в принципе учитывать. Пример 1.3. Определить плотность воздуха при избыточном давлении и температуре . Решение. 1) Находим абсолютное давление воздуха . 2) Определяем абсолютную температуру воздуха . Находим плотность воздуха из уравнения состояния идеального газа для одного моля. ; ; ; . | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||