Основные физические свойства жидкости
Основные физические свойства жидкости — плотность, сжимаемость, температурное расширение, вязкость и поверхностное натяжение. Капельные жидкости почти несжимаемы, поэтому в гидравлических расчётах их плотность считают постоянной; вязкость определяет потери давления на трение в трубах и теплообменниках.
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Плотность | 998 кг/м³ |
| Динамическая вязкость | 1,0 мПа·с |
| Кинематическая вязкость | 1,0·10−6 м²/с |
| Модуль объёмной упругости | 2,1 ГПа |
| Поверхностное натяжение | 0,073 Н/м |
Жидкостью называется физическое тело, обладающее свойством текучести, т.е. не имеющее способности самостоятельно сохранять свою форму. Жидкости, законы движения и равновесия которых изучаются в гидравлике, делятся на два класса: сжимаемые жидкости или газы, почти несжимаемые — капельные жидкости.
Идеальная и реальная жидкость
В гидравлике рассматриваются идеальные и реальные жидкости. Идеальной называется такая жидкость, между частицами которой отсутствуют силы внутреннего трения. Вследствие этого она не сопротивляется касательным силам сдвига и силам растяжения. Идеальная жидкость совершенно не сжимается — она оказывает бесконечно большое сопротивление силам сжатия. Такой жидкости в природе не существует —- это научная абстракция, необходимая для упрощения анализа общих законов механики применительно к жидким телам.
Реальная, или действительная, жидкость не обладает в совершенстве свойствами идеальной жидкости, она в некоторой степени сопротивляется касательным и растягивающим усилиям, а также отчасти сжимается. Для решения многих задач гидравлики этим отличнем в свойствах идеальной и реальной жидкостей можно пренебречь. В связи с этим законы, выведенные для идеальной жидкости, могут быть применены к жидкостям реальным с соответствующими поправками, а иногда даже без них.
Вязкость особенно важна для систем охлаждения: у раствора гликоля при низкой температуре она в несколько раз выше, чем у воды, поэтому растут потери давления и требуется более мощный насос — см. чиллер для охлаждения гликоля.
Формулы основных свойств
ρ = m / V
- ρ — плотность, кг/м³; m — масса, кг; V — объём, м³.
βt = ΔV / (V · Δt)
- βt — коэффициент температурного расширения, 1/K; для воды при 20 °C — около 2·10−4 1/K.
ν = μ / ρ
- ν — кинематическая вязкость, м²/с; μ — динамическая вязкость, Па·с.
Для контуров охлаждения важны два следствия. Расширение воды при нагреве на 60 K даёт прирост объёма около 2 %, поэтому в закрытом контуре нужен расширительный бак. Вязкость гликолевых растворов при −10 °C в 5–8 раз выше, чем у воды при 20 °C: падает теплоотдача в теплообменниках и растут потери давления, что учитывают при подборе насоса.
Идеальная жидкость в гидравлике
Идеальной жидкостью называется воображаемая жидкость, у которой нет вязкости, она абсолютно несжимаема и не расширяется при нагреве. Модель идеальной жидкости нужна, чтобы вывести основные уравнения гидравлики — например, уравнение Бернулли; в реальных расчётах к ним добавляют потери давления на трение, которые возникают именно из-за вязкости.
| t, °C | Плотность, кг/м³ | ν, 10⁻⁶ м²/с |
|---|---|---|
| 5 | 999,97 | 1,52 |
| 10 | 999,70 | 1,31 |
| 20 | 998,21 | 1,00 |
| 40 | 992,22 | 0,66 |
| 60 | 983,20 | 0,48 |
| 80 | 971,80 | 0,37 |
Вязкость холодной воды почти в полтора раза выше, чем тёплой, поэтому в контуре охлаждённой воды +7 °C потери давления в трубах больше, чем в системе отопления при тех же скоростях. У растворов гликоля вязкость ещё выше — в 2–5 раз в зависимости от концентрации и температуры.
Число Рейнольдса и режим течения в трубе
Re = v · d / ν. Ламинарный режим — Re < 2 300, переходный — 2 300–4 000, турбулентный — больше 4 000. Вязкость воды — по таблице выше.
Как вязкость и скорость определяют потери давления — в статье зависимость расхода от давления.
Частые вопросы
Какие основные физические свойства жидкости?
Плотность, удельный вес, сжимаемость, температурное расширение, вязкость и поверхностное натяжение. Для расчёта трубопроводов главные — плотность и вязкость.
Чем идеальная жидкость отличается от реальной?
В идеальной жидкости нет внутреннего трения, и она абсолютно несжимаема. Реальная жидкость обладает вязкостью и слегка сжимается; законы для идеальной жидкости применяют к реальной с поправками.
Какая жидкость называется идеальной?
Воображаемая жидкость без вязкости, абсолютно несжимаемая и не расширяющаяся при нагреве. Модель используют для вывода уравнений гидравлики, а реальные потери на трение учитывают поправками.
Читайте также