Важнейшие физические свойства жидкости

Любое вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Состояние вещества – газообразное или жидкое – зависит от условий, в которых находится это вещество, от его температуры и давления, а также от их соотношения. Обычно, под общим названием жидкости объединяют капельные жидкости и газы при небольших перепадах давлений, когда газы представляют собой сплошную легкоподвижную среду.

Жидкость – это физическое тело, в котором силы межмолекулярного сцепления намного меньше, чем у твердых тел. Поэтому жидкость настолько подвижна, что она течет под действием силы тяжести и не обладает способностью сохранять свою форму, приобретая форму сосуда, в котором она находится. Жидкости практически не оказывают сопротивления разрыву, но оказывают значительное сопротивление относительному движению соседних слоёв из-за вязкости.

Капельные жидкости (топливо, масла, вода и т.д.) при разбрызгивании образуют капли, газообразные жидкости (воздух и другие газы) в обычном состоянии капель не образуют. Капельные жидкости оказывают большое сопротивление при сжатии, и в отличие от газов, практически не изменяют при этом своего объема. Газы при сжатии способны резко изменить свой объём, меняя при этом свою плотность.

Наиболее существенными свойствами жидкости, необходимыми при проведении расчётов, являются: плотность, удельный вес, сжимаемость, температурное расширение и вязкость.

Плотность характеризует количество массы жидкости в единице объёма. Плотность однородной жидкости

, (1.1)

где m – масса жидкости, кг;

V – объём жидкости, м³.

Формула (1.1) позволяет определить среднюю плотность неоднородной жидкости.

Плотность ряда жидкостей приведена в табл. 1.

Таблица 1 – Плотность, удельный вес и вязкость некоторых жидкостей

Жидкость	Температура, t, оС	Плотность, ρ, кг/м3	Удельный вес γ , кН/м3	Вязкость ν , м2/с
Вода пресная			9,8 9,68	1,31х10-6 0,55х10-6
Морская вода		1020…1030	10,00…10,10
Воздух		1,293	12,67	1,4 х10-6
Дымовые газы		1,295	12,69	5 х10-6
Бензин		650…740	6,4…7,25	0,65 х10-6
Глицерин			12,23	1,189 х10-3
Масла		880…920	8,65…9,05	1 х10-5..2 х10-4
Мазут		890…940	8,7…9,2	2 х10-3
Нефть легкая		860…880	8,45…865	2,5 х10-5
Нефть тяжелая		920..930	9,00…9,10	1,4 х10-4
Ртуть			133,33	1,6 х10-6
Спирт		790…800	7,75…7,85	1,5 х10-7

Плотность капельных жидкостей зависит от температуры и давления. С ростом температуры плотность жидкостей понижается. Однако при небольших перепадах температур величину плотности в расчётах можно принимать постоянной.

Плотность воды в отличие от других жидкостей имеет пик. Он возникает при температуре +4 ^оС. При других температурах — как больше, так и меньше t= +4 ^оС плотность воды уменьшается. Это одно из аномальных свойств воды.

Плотность газов при изменении температур изменяется значительно больше, чем плотность воды. Её значения можно рассчитать, зная, что при постоянном давленииρТ=const . Составив уравнения ρ_оТ_о= ρ_хТ_х, можно определить искомую плотность

, (1.2)

где ρ_о — известная плотность при начальной температуре Т_о , ^оК;

Т_х — абсолютная температура газа, ^оК.

Удельный вес однородной жидкости – это отношение силы веса жидкости к её объёму

, (1.3)

где G – сила веса жидкости, прямо пропорциональная массе жидкости, Н;

g – ускорение свободного падения в условиях Земли, м/с².

Формула (1.3) показывает, что удельный вес при изменении температуры изменяется аналогично изменению плотности и поэтому приборы для измерений плотности можно использовать при определении удельного веса.

Сжимаемость – это способность жидкости изменять свой объём при изменении давления. Хотя для большинства задач сжимаемость жидкости не играет существенной роли, и капельная жидкость условно считается несжимаемой, существуют, однако задачи, в которых обязательно необходимо учитывать изменение объема жидкости. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом объёмного сжатия

, (1.4)

где ∆V – изменение объема жидкости под воздействием изменения давления, м³.

V_o – первоначальный объем жидкости, м³;

∆p – изменение давления в жидкости, .

Значение коэффициента объемного сжатия зависит от вида жидкости, её температуры и давления. Однако изменением коэффициента объёмного сжатия в зависимости от температуры и давления можно в большинстве случаев пренебречь, что даёт возможность считать его величиной постоянной для этой жидкости. Так, для воды при t = 4^оС β_v= 4,75х10^-9, Па^-1. И это значение мы используем независимо от действительной температуры воды в диапазоне до 100 ^оС и для давлений до 10 мПа. Величина обратнопропорциональная коэффициенту объёмного сжатия – это модуль объёмной упругости

. (1.5)

Температурное расширение – это свойство жидкости изменять объём при изменении температуры. Это свойство жидкости характеризуется коэффициентом температурного расширения, который показывает относительное увеличение ( или уменьшение ) объёма жидкости из-за изменения ее температуры

. (1.6)

При увеличении температуры у большинства жидкостей (кроме воды) коэффициент температурного расширения уменьшается.