Жидкости. Все вещества в природе имеют молекулярное строение. По характеру молекулярных движений, а также по численным значениям межмолекулярных сил жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Свойства жидкостей при высоких температурах и низких давлениях ближе к свойствам газов, а при низких температурах и высоких давлениях - к свойствам твердых тел.
В газах расстояния между молекулам больше, а межмолекулярные силы меньше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому газы отличаются от жидкостей и твердых тел большей сжимаемостью. По сравнению с газами жидкости и твердые тела малосжимаемы.
Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении, отличающемся от хаотического теплового движения газов и твердых тел: в жидкостях это движение осуществляется в виде колебаний (1013 колебаний в секунду) относительно мгновенных центров и скачкообразных переходов от одного центра к другому. Тепловое движение молекул твердых тел - колебания относительно стабильных центров. Тепловое движение молекул газа - непрерывные скачкообразные перемены мест.
Диффузия молекул жидкостей и газов обусловливает их общее свойство - текучесть. Поэтому термин «жидкость» применяют для обозначения и собственно жидкости (несжимаемая или весьма мало сжимаемая, капельная жидкость), и газа (сжимаемая жидкость).
Гипотеза сплошности. Жидкость рассматривается как деформируемая система материальных частиц, непрерывно заполняющих пространство, в котором она движется.
Жидкая частица представляет собой бесконечно малый объем, в котором находится достаточно много молекул жидкости. Например, если рассмотреть кубик воды со сторонами размером 0,001 см, то в объеме будет находиться 3,3-1013 молекул. Частица жидкости полагается достаточно малой по сравнению с размерами области, занятой движущейся жидкостью.
При таком предположении жидкость в целом рассматривается как континуум - сплошная среда, непрерывно заполняющая пространство, т.е. принимается, что в жидкости нет пустот или разрывов, все характеристики жидкости являются непрерывными функциями, имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам. Сплошная среда представляет собой модель, которая успешно используется при исследовании закономерностей покоя и движения жидкости.
Правомерность применения модели жидкости - сплошная среда подтверждена всей практикой гидравлики.
Плотность жидкости. Плотность характеризует распределение массы М жидкости по объему W. В произвольной точке А жидкости плотность
РA = limΔM/ΔW (1.1)
где ΔM - масса, заключенная в объеме ΔW, стягиваемом в точку А.
Плотность однородной жидкости равна отношению массы М жидкости к ее объему W:
ρ =M/W. (1.2)
Плотность ρ во всех точках однородной жидкости одинакова.
В общем случае она может изменяться от точки к точке в объеме, занятом жидкостью, и в каждой точке объема с течением времени.
Единица плотности (плотности массы) в системе СИ принята кг/м3 .
Удельный вес у однородной жидкости определяется как отношение веса G жидкости к ее объему W:
у = G/W.
Учитывая, что G = Mg, получим зависимость, используемую в расчетах:
Y = Pg.
В системе СИ единица удельного веса принята Н/м3 .
Отметим, что значение ускорения свободного падения g изменяется от 9,831 м/с2 (на полюсе) до 9,781 м/с2 (на экваторе).
Плотность жидкостей и газов зависит от температуры и давления. Все жидкости: масло, нефть, спирт и др., кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с ростом температуры. Плотность воды максимальна при t = 4°C и уменьшается как с уменьшением, так и увеличением температуры от этого значения. В этом проявляется одно из аномальных свойств воды. В табл.1.1 приведены значения плотности воды при нормальном атмосферном давлении и различных температурах.
Таблица 1.1
|
t,°C |
0 |
2 |
4 |
6 |
8 |
|
ρ, кг/м3 |
999,87 |
999,97 |
1000 |
999,97 |
999,88 |
|
|
|
|
|
|
|
|
t ,°C |
10 |
20 |
30 |
40 |
60 |
|
ρ, кг/м3 |
999,7 |
998,2 |
995,7 |
992,2 |
983,2 |
Плотность морской воды при t = 0°C равна 1020-1030, нефти и нефтепродуктов - 650-900, чистой ртути - 13 596 кг/м3 .
При изменении давления плотность жидкостей изменяется незначительно. Для условий работы гидротехнических сооружений плотность воды можно считать постоянной, ρ - 1000 кг/м3. Сравните: плотность воздуха при t = 0°C и атмосферном давлении равна 1,29 кг/м3 .
Температура, при которой плотность воды максимальная, с увеличением давления уменьшается. Так, при давлении 14 МПа вода имеет максимальную плотность при 0,6°C.
