Сұйықтар және олардың физикалық қасиеттері

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 13 бет
Таңдаулыға:

Сұйықтар және олардЫҢ физикалық қасиеттері

Сұйықтар. Сұйықтардың тұтастығы туралы жорамал. Шынайы және идеал сұйықтар

Сұйық дегеніміз ағатын қасиеті бар материал (орта) . Ағын - үзіліссіз деформацияланатын қозғалыст түрі. Қозғалыс әрине күш әрекетімен болады. Сұйық ағыны, өте аз күштің әсерімен, шексіз деформацияланатын тұтас ортаның көрінісі.

Табиғаттағы заттың бәрі қатты, сұйық және газ күйінде кездеседі. Олардың молекулаларын қозғалу ерекшеліктері және молекулааралық күштері әртүрлі болады. Қатты заттардың молекулалары тұрақты орталықтарда тербеліс жасап тұрады. Ал газ молекулалары бір-бірімен соқтығысып, үздіксіз орын ауыстырып отырады. Сұйықтар белгілі жағдайда қатты зат күйіне де өте алады. Сондықтан он молекулалары лездік орталықта тербеліс жасап тұрып, секіріп басқа орталыққа ауыса алады. Сұйық молекулаларын осы қозғалу ерекшелігі сұйыққа аққыштық қасиет дарытады және кез-келген ыдыс формасын қабылдай алуын қамтамасыз етеді.

Газ молекулаларын ара қашықтығы, сұйық немесе қатты дене молекулаларын ара қашықтығынан әлдеқайда көп, ал оның есесіне молекулааралық күштері өте аз.

Сондықтан газдарды сығу оңай, сұйық пен қатты денелерді сығу қиын. Осы тұрғыдан қарағанда газдарды сығылатын сұйық, ал шынайы сұйықтарды сығылмайтын немесе өте аз сығылатын, тамшы құрайтын сұйық деп бөлуге болады. Гидравликада тек тамшы құрайтын сұйықтардың тыныштық күш мен қозғалыс сырларын қарастырады. Мұн ең төте жолы - сұйық табиғатын танытатын он моделін анықтау болып табылады. Ол сұйықт тұтастығы. Бұл модель бойынша, сұйық өзі алып тұрған кеңістікте, немесе қозғалып бара жатқан арнада біртұтас, арасында қуыс немесе бос орын жоқ деп есептелінеді (молекулалар арасы, сұйық толтырып тұрған, немесе қозғалып бара жатқан кеңістікпен салыстырғанда өте аз, оны ескермесе де болады) . Сондықтан сұйықты сипаттайтын физикалық ұғымдарды үздіксізі функциялар және олардың дербес туындыларын да (барлық, аргументтері бойынша) үздіксіз деп қарастыруға болады. Басқа сөзбен айтқанда (сұйықты зерттегенде), дифференциалдық және интегралдық есептеу тәсілдерін кеңінен пайдалануға жол ашылады. Бұл жорамалды бірінші болып Б. Кастелли ұсынған.

Табиғатта кездесетін сүйықтардың барлығы оларды немесе сығуға қарсылық көрсетеді, сондықтан оларды шынайы (тұтқырлы), немесе ньютондық сұйықтар деп атайды.

Керісінше, сұйық қабаттарын өзара салыстырмалы қозғалысқа түсіретін күштерге ешқандай қарсылық көрсетпейтін сұйықты идеал (тұтқырлықсыз) сүйық деп атайды.

Идеал сұйықтын тығыздығы тұрақты, оған тек сыққыш күштеулер ғана әсер етеді. Табиғатта идеал сұйық жоқ, ол тек сұйық қозғалысын ерекшеліктерін зерттеуді оңайлататын модель ретінде пайдаланылады.

1. 2. Сұйыққа әсер етуші күштер

Сұйыққа түсірілген күштер массалық және беттік күштер болып екіге бөлінеді.

Массалық (көлемдік) күштер деп сұйықтың әр бөлшегіне (массасы ) әсер ететін күштерді атайды. Оларға ауырлық күштер (гравитациялық күштер), инерциялық күштер (кориолистік инерция күші мен тасымалды инерция күші) және электромагниттік күштер кіреді. Егер көлемі сұйықтың А нүктесіндегі массалық күшін табу керек болса, оны былай жазуға болар еді:

(1. 1. )

Бұл жерде - массасы сұйыққа әсер етупгі күш. Массалық күштің бірлігі үдеудің бірлігіндей .

Бұдан шыққан массалық күш дегеніміз - үдеу.

Беттік күштер деп сұйық ішіндегі белгілі беттің аудан бірлігіне таралған күштерді айтады. Су бетінің А нүктесіне көлбеу түскен күшті және деп екі құраушыға бөліп жазады. Нүкте айналасындағы ауданшаға тік түсірілген күшті (1. 1 -сурет)

, (1. 2. )

тіктеме күштеу деп аталады.

Мұндағы:

- бетке тік түсірілген күш - қысым күші;

- бетке жанама бағытталған күш - үйкеліс күші.

1. 1-сурет

Массалық және беттік күштердің кез-келгені ішкі, іемесе сыртқы күштер қатарында бола беруі мүмкін. Ол арастарып отырған жүйеге байланысты.

Ішкі күштер деп сұйық бөлшектерінің өзара әсерлерін айтады.

Олар сұйықтың тыныштық күйінде қос-қостан келеді де жалпы қосындысы нөлге тең болады. Ал сыртқы күштер деп қарастырып отырған сұйық көлеміндегі әрбір массалы бөлшекке, немесе әрбір беттің элементіне, сырттан әсер ететіні күштерді айтады.

Егер сұйыққа сыртқы күштер әсер етсе, ол сұйықың ішкі күштерінің (молекулааралық) тепе-теңдігін бұзады. Кез аселген қимада ішкі күштердің қосындысы нөлден ауытқиды және ол сыртқы күштерге қарсы бағытталады. Ішкі күштердің шамасы сыртқы күштермен теңескенше өседі. Сұйықтың мұндай күйін жүктену (күштену) деп атайды. Соған сәйкес сұйық қимасында пайда болған күштерді жүктену күштері деп атайды. Мысалы, тепе-теңдік жағдайда тұрған сұйықтың екінші бөлігінің (1. 2- сурет) бөлігіне әсерін Р күшімен алмастырсақ және оны N қимасындағы А нүктесіне тіркелген екі құраушы (Р _п және Р _τ ) күштеулерден тұрады десек, онда сұйық осы сыртқы күштердің әсерімен ширай түсер еді.

1. 2-сурет

Сұйық қимасында осы күштерге тең және қарама-қарсы бағытталған бірлік ауданға үлесті күштер-тіктеме (Р’ _п ) және жанама (Р’ _τ ) күштенулер пайда болар еді.

1. 3. Сұйық қасиеттері

Сұйық тығыздығы. Біртекті сұйық тығыздығы деп сұйық массасының (М) он көлеміне (W) қатынасын айтады.

(1. 4. )

Біртекті сұйықтың барлық нүктелерінде тығыздық бірдей болады. Ал біртекті емес сұйықтың кез келген А нүктестіндегі тығыздығы

(1. 5. )

Бұл жерде ∆М көлемнің (∆W) азайып А нүктесіне айналғандағы массасы. Жалпы тығыздық сұйық көлемінің әр нүктесінде әртүрлі болуы мүмкін және уақыт өткен сайын өзгеруі ықтимал. Мысалы: өзен тасығанда, сең жүргенде, түптік ағындарда, т. б. Сұйықтың тығыздығы р мен оның менішкті салмағы γ өзара байланысты

(1-6. )

немесе

Айта кетейік: g экваторда 9, 781 м/с ² , ал полюсте - 9, 831 м/с ² ;

G - сұйықтың салмағы.

Сұйық тығыздығы негізінен температураға байланысты. Сұйыққа үлкен қысым түсірілгенмен тығыздық мейлінше аз өзгереді. Судан басқа сұйықтың бәрінде температура көбейген сайын олардың тығыздығы (атмосфералық қысымда) азаяды, ал судың ең үлкен тығыздығы ( р = 1000 кг/м ³ ) 4°С болады. Температура 0°С болғанда судың тығыздығы р = 999, 87 кг/м ³ , Т ⁰ =20°С болғанда р =998, 2 кг/м ³ . Таза сынаптың тығыздығы 13596 кг/м ³ (Т ⁰ =0°С) . Гидравлика лабораториясында сынап бағаналы манометрлерді жиі пайдаланады. Оны Э. Торричелли ойлап тапқан.

Сығылу. Сұйық қысымның (Р) әсерінен, өзінің көлемін (W) аз да болса өзгертеді, сығылады. Он шамасын көлемдік сығылу коэффициенті арқылы сипаттайды.

(1. 7. )

Бұл формуладағы минус таңбасы қысым көбейгенде сұйық көлемінің азаятынын көрсетеді. Егер массасы тұрақты сұйықты сықса

Сонда (1. 7) былай жазылар еді:

(1. 8. )

Сұйық көлемінің сығылу коэффициенті арқылы сұйыққа түсірілген қысым бірлігіне байланысты тығыздықтың салыстырмалы өзгеруін табуға болады.

Сұйықтың көлемдік сығылу коэффициентіне кері шаманы сұйықтың серпімділік модулі деп атайды

(1. 9. )

немесе

Серпімділік модулі температура мен қысымға байланысты. Мысалы 20°С суд серпімділік модулі 2110 мПа.

Су өте аз сығылады. Мысалы, түсірілген қысым 9, 81 мПа болғанда, судың көлемі бастапқы көлемінің 1/2 ғана азаяды. Ал болаттың сығылуымен салыстырғанда судың сығылуы 100 есе көп. Мұның маңызы өте зор. Айталық, егер су абсолют сығылмайтын сұйық болса дүниежүзілік мұхит деңгейі қазіргіден шамамен 30м биіктеп кеткен болар еді. Сұйық көлемінін жылулық ұлғаюы. Сұйық көлемі температураға байланысты өзгеріп отырады. Оның шамасын көлем ұлғаюын температуралық коэффициенті арқылы сипаттайды:

Бұл коэффициент сүйық температурасы бір градусқа өзгергендегі (қысым тұрақты) көлемнің салыстырмалы өзгеруін көрсетеді. Мысалы, бір атмосфералық қысым әсеріндегі температурасы 20°С су үшін β _Т =0, 00015

Сұйық тұтқырлығы. Сұйық қабаттарының өзара салыстырмалық қозғалысына кедергі жасайтын тұтқырлық дейді. Әртүрлі жылдамдықпен қозғалып бара жатқан екі қабаттың арасында ішкі үйкеліс күші немесе тұтқырлық күші пайда болады. Оны бірінші болып Ньютон ашқан. Кейін Н. П. Петров оған мынадай математикалық түр берген.

(1. 11)

Бұл жерде F - сұйықтың ішкі үйкеліс күші;

S - жанасу бетінің ауданы;

τ - бірлік ауданға тиісті үйкеліс күші, немесе жанама жүктену;

μ - динамикалық тұтқырлық коэффициенті, немесе абсолют тұтқырлық. Оның бірлігін /1 11/ формуладан табуға болады, [Па·С], 1Па·С = 10П /пуаз/;

- салыстырмалы ығысу, жылдамдық градиенті

(1. 3-сурет) .

1. 3-сурет

Кейде тұтқырлықты, сұйық тығыздығының бірлік үлесіне байланысты қарастырады да оны кинематикалық тұтқырлық коэффициенті (кинематикалық бірліктермен өлшенгендіктен) деп атайды.

(1. 12)

Жылдамдық градиентінің таңбасы өзгеруіне қарамай, үйкеліс күші әруақта оң сан болуы тиіс, сондықтан теңдеудіңоң жағына қажет таңбаны қолдану керек. мысалы, егер құбырдың көлденең қимасындағы қабырғадан өске қарай есептесе, жылдамдық градиенті оң сан болады да (1. 11) формула былай жазылады:

Керісінше, өстен қабырғаға қарай есептесек сондықтан

Практикада сұйық тщтқырлығы Энглер градусы (°Е) арқылы өлшенеді. Судың шартты тұтқырлығы І ⁰ Е. Сұйық тұтқырлығын вискозиметр деген аспаппен өлшейді.

Динамикалық тұтқырлық коэффициентіне кері шаманы аққыштық коэффициенті, немесе аққыштық деп атайды.

Аққыштық қасиеті шексіз деформациялана алатын қасиеті. Ньютонның заңы тура сызықты ламинарлық режімдегі біртекті сұйық қозғалысына тән. Ал ерітінділері мол, немесе тасындысы көп, сұйық қоспалары үшін жанама жүктену басқа теңдеулермен өрнектеледі. Ондай сұйықтарды ньютондық емес сұйықтар деп атайды. Біз тек ньютондық сұйықтардың ғана қозғалысын қарастырамыз.

Газдың сұйықта еруі. Барлық сұйықтың өзіне газды сіңіріп, оны ерітетін қасиеті бар. Генри-Дальтоның заңы бойынша оны ерігіштік коэффициенті арқылы ажыратады.

(1. 13)

мұндағы W _Г - еріген газдың көлемі;

W _C - сұйық көлемі;

К _е - ерігіштік коэффициенті, ол температураға байланысты.

Бұл заң сұйық температурасы тұрақты, түсірілген қысымның шамасы 30мПа дейн сақталады. Ал жалпы заң мына түрде жазылады.

(1. 14)

бұл жерде р ₁ - эталонды қысым /мысалы атмосфералық/;

р ₂ - сұйыққа түсірілген қысым;

(W _Г ) _P1 - қысымы Р ₁ , температурасы Т°- болғанда ерітілген газдың көлемі;

(W _С ) _Р2 - қысымы Р ₂ , температурасы Т ⁰ - болғандағы сұйық көлемі;

К _е * - сұйық температурасы Т° кезіндегі газдың ерігіштік коэффициенті.

Температурасы 20°С, атмосферлық қысым түсірілген суда 1, 6% (К _е * =0, 016) ерітілген ауа (көлемі жағынан) болады. Температурасы көбейген сайын (0° тан 30° дейін) ауаның суда ерігіштік коэффициенті азаяды. Өттегінің суда ерігіштігі ауаға қарағанда жоғары. Сондықтан сұйық ауада атмосферлық ауаға қарағанда, өттегінің мөлшері 50% көп. Сұйыққа түсірілген қысым азайғанда, одан бөлініп шығатын газдың көлемі (1. 14) формула бойынша табылады. Бірақ газдың судан бөліну процесі, он суда еру процесінен қарқындылау.

Қайнау. Сүйықтың газ күйіне өту процесін қайнау деп атайды. Қайнаудың екі түрі болады. Біріншісі: сүұыққа түсірілген қысымды сақтай отырып, температураны жоғарылату арқылы сұйықты газға айналдыру. Мысалы, атмосферлық қысымдағы су температурасын 100 ⁰ С көтеріп, оны "ысытып қайнату". Екіншісі: сұйық температурасын сақтай отырып, оған түсірілген қысымды кеміту (қаныққан бу қысымынан да (Р _{қ. б.} ) төмен) арқылы. Мысалы, 20°С суды жер бетінен жоғары көтеру арқылы оған түсірілген қысымды азайтсақ, онда һ биіктіктен бастап (Р _{қ. б.} = 2, 33 кПа) "салқын қайнау" басталар еді. Басқа сөзбен айтқанда, сұйық қысымы Р _{қ. б.} дейін кемігенде (Т ⁰ С = соnst), сұйық ішінде бу мен газ түйіршіктері пайда болады, қайнайды.

Сұйықтың "салқын қайнау" процесі су машиналарында жиі кездеседі және өте зиянды. Өйткені кейбір жағдайларда (су сорғыштарда, су турбиналарында, су элеваторларында) су үлкен жылдамдықпен ағып, жергілікті жерде қысым азайып, газ бен бу түйіршіктері пайда болады. Сәлден соң ол түйіршіктер қысымы көп ортаға тап болып, тез арада, бу суға айналып, түйіршік көлемі күрт азаяды, жергілікті жерді жиі-жиі үлкен қысыммен соққылайды. Бұл құбылысты кавитация деп атайды. Мұндай соққы өте жиі және қарқынды болған жағдайда машина бөлшектері беріктілік жағынан шаршап, котырланады, кедір-бұдырлығы артып, кейде мүлдем істен шығады, кавитациялық эрозияға ұшырайды. Болашақ инженер су машиналарын, тағы басқа су құрылымдарын жобалағанда кавитациялық эрозияны болдырмау жағын қарастыруы керек. Ол үшін су құрылымдарын және машиналарын гидравликалық есептеудің тиімді әдістерін толық игеру ләзім.

Беттік жиырылу жане капиллярлық. Сұйық әрқашан өзінің еркін бетінің ауданын азайтуға тырысады, оны беттік жиырылу деп атайды. Сұйық бегіндегі жұқа қабатқа тіктеме бойымен, сұйық ішіне бағытталған, молекулалық қысым деп аталатын қорытқы, қысым әсер етеді. Оның табиғатын ашу үшін сүйықтың еркін бетін жиыруға тырысатын жұқа, қатты бет қабыршақпен қапталған деп есептейік. Осы қабыршақ сұйық бетіне қалай әсер етсе, сұйықты сфералық формаға келтіретін молекулалық қысым күштері де сұйыққа солай әсер етеді делік. Осы тұрғыдан қарап, көптеген су құбылыстарын терең түсінуге болады. Мысалы, сабын көбігіне батырылған рамада (1. 4-сурет) қабыршақ пайда болады. Егер осы

1. 4-сурет

қабыршақты жоғары жағынан ұзындығы l сымтемірге тіркелген f күшімен тартып тұрмаса, ол жиырылып төмен жағына жылжилы.

Жиырылған қабыршақты тепе-теңдік қалыпта ұстап тұру үшін сұйық бетіне жанама бағытпен он шекара сызығына күш түсіру керек; бұл күш беттік жиырылу күші деп аталады.

Қабыршақтың шекара сызығы l неғұрлым ұзын болса, бұл күш те соғұрлым үлкен

(1. -15)

мұндағы а - беттік жиырылу коэффициенті; оның шамасы сұйықтың температурасына байланысты

(1. 16)

Температурасы 0 ⁰ С су үшін α ₀ =0, 076 β = 0, 00015

Сұйыққа жұқа жазық сызықты қабыршақтың түсіретін қысымынан гөрі беті имек қабыршақтар көбірек қысым (қосымша қысым) түсіреді; бет дөңес болса, бұл қосымша қысым сұйықты төмен итереді де, ал бет ойыс болса, ол сұйықты жоғары көтереді (1. 5-сурет) . Өйткені беттік жиырылу күші сұйықтың еркін бетінің ауданын азайтуға, горизонтальды қалыпқа түсіруге тырысады.

1. 5-сурет

Бұл қысымды анықтау үшін (1. 15) формуланың екі жағында беттік ауданға бөлу керек. Егер сұйықтың еркін қисық бетінің радиустарын R ₁ және R ₂ деп белгілесек, онда қысым Лаплас формуласымен оңай табылады:

(1. 17)

Цилиндрлі құбыр үшін Сондықтан (1. 17) формула мына түрге енеді:

Сфералық шар үшін Онда

Бұл формуланы басқа жолмен де алуға болады. Ол үшін түтік ішіндегі сұйық бетін қарастырайық (1. 6 сурет) .

Сұйық беті дөңес болғандықтан күші түтію қимасының ауданына қосымша қысым түсіреді:

(1. 19)

1. 6-сурет

Мұнда

Өйткені

Енді f ₁ - дің мәнін (1. 19) формулаға қойсақ, қайтадан (1. 18) формуланы алар едік.

Сұйықтың беттік жиырылу күшімен он капиллярлығы тығыз байланысты.

Капиллярлық - сұйық пен қатты дене шекарасында болатын құбылыс. Он табиғатын түсіну үшін қатты дене мен сұйық арасындағы молекулааралық қатынастың екі түрі болатынын еске алайық: 1) сұйық молекулаларының арасындағы өзара әсер күштері сұйық пен қатты дене молекулаларын арасындағы өзара әсер күштерінен артық; 2) сұйық молекулаларын арасындағы өзара әсер күштер сұйық пен қатты дене молекулаларын арасындағы өзара әсер күштерінен кем.

Бірінші жағдайда сұйық қатты денеге жұқпайды қорытқы күш сұйық жақа қарай бағытталған (1. 7, а-сурет) . Мұны серіппелі дөңес бет имегінің сұйықты горизонталь деңгейге дейін ығыстыруға тырысуымен салыстыруға болады. Сұйықты төмен итереді.