Зависимость объема воды от температуры

Зависимость объема воды от температуры

Масса m любого вещества равна его объему V, умноженному на его плотность р: m = V х p. Когда вещество нагревается, его масса m не изменяется. Поэтому, когда его объем увеличивается при возрастании температуры, его плотность должна уменьшаться. Это изменение плотности неособенно заметно в твердых телах, но оно весьма важно для жидкостей и газов (текучих), поскольку является причиной возникновения конвекционных потоков. Расширение U-образной трубки не должно приниматься во внимание при рассмотрении расширения жидкости.

В жидкостном манометре давление внизу трубки зависит лишь от высоты столбика жидкости и ее плотности (hpg), а не от количества жидкости в трубке. Таким образом, площадь поперечного сечения трубки не имеет значения.

10. Вязкость. Вязкостьэтосвойство жидкости сопротивляться сдвигу ее слоев. При течении жидкости вдоль твердой стенки слои жидкости, прилегающие к ней, тормозятся силами трения между слоями, то есть из-за вязкости (Рис. 1).                                                                      

 Рис. 1. Профиль скоростей при m – коэффициент динамической течениивязкой жидкости вдоль вязкости  стенки

Согласно гипотезе Ньютона, подтвержденной экспериментально Н.П. Петровым, касательные напряжения при слоистом течении:

,

где – модуль поперечного градиента скорости ,;

Из закона вязкого трения Ньютона следует, что касательные напряжения возможны только в движущейся жидкости. Если имеется градиент скорости еще и в направлении, нормальном плоскости рисунка, то следует записывать в формуле частную производную .

Кроме Па×с используют такую единицу измерения, как Пуаз: 1П = 0,1 Па×с.

Кроме коэффициента динамической вязкости, в технике широко используют коэффициент кинематической вязкости:

.

С ростом температуры вязкость капельных жидкостей очень сильно падает (по экспоненте), а газов – растет по линейному закону. Например, при нагревании пресной воды от 0 до 100°С коэффициент кинематической вязкости падает от 1,79×10-6 до 0,29×10-6 м2/с, то есть 6 с лишним раз. В этом же диапазоне температур вязкость минеральных масел изменяется в десятки и сотни раз. При отрицательных температурах вязкость масел резко возрастает.

11. Капиллярность. На поверхности раздела жидкости и газа действуют силы поверхностного натяжения, которые стремятся придать объему жидкости сферическую форму, но сила тяжести не позволяет сделать это, если жидкость находится в значительном объеме. Это явление заметно только, когда жидкость рассматривается в объеме капли или находится в тонком капилляре или зазоре. Силы поверхностного натяжения создают в жидкости дополнительное давление

,

где s – коэффициент поверхностного натяжения жидкости ;

r1, r2 – радиусы кривизны.

В капиллярах и зазорах это давление вызывает подъем или опускание жидкости относительно нормального уровня. Это явление называется капиллярностью. Дополнительное давление направлено всегда к центру кривизны мениска. Если жидкость не смачивает поверхность капилляра, то мениск имеет выпуклую форму, и давление от сил поверхностного натяжения совпадает по направлению с атмосферным давлением – уровень жидкости в капилляре снижается. Если жидкость смачивает поверхность капилляра, то мениск имеет вогнутую форму, и дополнительное давление будет направлено вверх, навстречу атмосферному давлению. Как следствие этого – подъем жидкости по капилляру. Высота подъема (опускания) жидкости в стеклянной трубке вычисляется по формуле:

,

где d – диаметр капилляра ;

k – коэффициент, индивидуальный для каждой жидкости .

Например, для воды k = 30 мм2; для спирта k = 11,5 мм2; для ртути k = –10,1 мм2.

В жидкостных приборах для измерения давления применяют трубки диаметром 10 – 12 мм. В этом случае эффект капиллярности мало ощутим. В зазоре один из радиусов кривизны стремится к бесконечности, поэтому и дополнительное давление, и высота отклонения уровня получаются в 2 раза меньше, чем в капилляре.

 12. Кавита́ция

1. Кавитация как явление

Кавитация — это нарушение сплошности жидкости, которое происходит в тех участках потока, где давление, понижаясь, достигает некоторого критического значения. Этот процесс сопровождается образованием большого числа пузырьков, наполненных преимущественно парами жидкости, а также газами, выделившимися из раствора. Находясь в области пониженного давления, пузырьки увеличиваются и превращаются в большие пузыри-каверны. Затем они уносятся потоком в область с давлением выше критического, где разрушаются практически бесследно вследствие конденсации заполняющего их пара. Таким образом, в потоке создается довольно четко ограниченная кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками.

Физический процесс кавитации близок процессу закипания жидкости. Основное различие между ними заключено в том, что при закипании изменение фазового состояния жидкости происходит при среднем по объёму жидкости давлении равном давлению насыщенного пара, тогда как при кавитации среднее давление жидкости выше давления насыщенного пара, а падение давления носит локальный характер.

В настоящее время широко распространена теория о существовании в любом объеме реальной жидкости своего рода слабых мест или ядер кавитации, характерной особенностью которых является наличие в них нерастворившегося газа. Было сделано достаточно много предположений о возможном строении таких ядер кавитации. Интересная гипотеза была высказана в 1945 г. В соответствии с этой гипотезой ядра кавитации представляют собой твердые частицы гидрофобного вещества с трещинами, содержащими нерастворившийся газ. По мнению других авторов, ядрами кавитации являются мельчайшие пузырьки нерастворившегося газа, защищенные сферической оболочкой из органических веществ. Эта идея основана на предположении, что если в жидкости имеется даже очень малое количество органических примесей, то это должно повлечь за собой адсорбцию этих примесей на поверхности газового пузырька с образованием на ней органического мономолекулярного слоя. Наличие такого слоя существенно снижает силы поверхностного натяжения на границе взаимодействия жидкости и газа, препятствует диффузии газа в окружающую жидкость и обеспечивает пузырьку дополнительную прочность. Этот газ всегда содержится в жидкости, и при местном снижении давления начинает интенсивно выделяться внутрь кавитационных пузырьков.

Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов Цельсия. Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, поскольку максимум деаэрации приходится на минимум статического давления и максимум температуры в системе, Воздух, растворенный в воде содержит приблизительно 35,6 % кислорода по сравнению с 21% долей в обычном воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух.

Образование кавитационной зоны хорошо демонстрируются на примере протекания жидкости через трубу с местным сужением (расходомер Вентури, сопло). Возрастание скорости течения в сжатом сечении обусловливает уменьшение статического давления на этом участке. Постепенное увеличение расхода жидкости приводит к тому, что при достаточно большой скорости течения давление в месте сужения падает до критического значения и возникает кавитация.

Подводя некоторый итог всему изложенному, можно отметить, что имеется три группы факторов, влияющих на возникновение и последующее развитие кавитации:

— загрязнение жидкости, образующее ядра кавитации и определяющее их число;

— физические свойства жидкости;

— гидродинамические характеристики потока.



Источник: studopedia.net


Добавить комментарий