Лекция №2 Основные свойства жидкостей и газов как рабочих тел гидравлических и тепловых машин.

Учебные вопросы

1. Силы взаимодействия между средними частицами вещества. Силы Ван-дер-Ваальса. Основные отличия физических свойств твердого жидкого и газообразного состояния вещества. 2.Понятие о работе сжатия/расширения над жидкостью или газом. Сжимание газов и жидкости. Особая эксплуатация жидкости и газов как рабочих тел гидравлических и тепловых машин. Области использования жидкости и газов. Аномальные свойства воды.

Все тела в зависимости от состояния окружающей среды(давления и t ⁰C) могут находится в различном агрегатном состоянии: твердом, жидком, газообразном и плазменном.

Физические свойства тел определяются расстоянием между их средними частицами. Эти расстояния определяют и силы взаимодействия между частицами, которые находятся в постоянном движении. Например: скорость движение молекул водорода равна 1км/с, силы взаимодействия между частицами носят электромагнитный характер.

Они открыты. Ван-дер-Ваальсом и обладают удивительными свойствами: частицы на малых расстояниях отталкиваются, а на больших притягиваются. Эти силы можно рассчитать по известным формулам.

Рис.2.1. Силы взаимодействия между частицами вещества.

Установлено, что если r < r₀, то между частицами возникают силы отталкивания, которые резко увеличиваются с уменьшением расстояния, при r > r₀ при возникновением силы притяжения.

Силы притяжения ограничены, они определяются отличием физических свойств твердых тел жидкостей и газов.

Твердые тела.

Расстояния между частицами имеет порядок самих частиц. Частицы плотно уложены в пространстве, что между ними в основном преобладают силы притяжения. Силы инерции существуют меньше сил притяжения.

Поэтому тела в твердом состоянии препятствуют изменению их объема и формы (возникают силы отталкивания при сжатии и силы притяжения при растяжения тел) изменению формы препятствуют сдвиговые напряжения.

Жидкие тела.

В жидких телах, которые существуют в области более высоких температур и низких давлений расстояние между частицами превышают размеры частиц r > r₀.

Силы инерции преобладают над силами взаимодействия, поэтому в жидком состоянии частицы находясь под большим внутреннем давлением обуславливаются силами притяжения равно 20000 атмосфер.

Силы взаимодействия в жидкости уже ослаблены, поэтому жидкости препятствуют только напряжения сжатия из-за громадного внутреннего давления силам растяжения в жидкости практически не препятствуют, легко рвутся, а в местах разрыва появляются пустоты, каверны или пузырьки заполняются парами этих жидкостей и растворяются газами.

Свойства жидкости:

*Свойством жидкостей и является вредном качеством – «просадка». Жидкости при сжатии оказывают очень сильное сопротивления, которые и позволяют использовать их в качестве рабочих тел: гидропрессов, гидронасосов, гидродомкратов, т.е. в механизмах гидропривода, однако, если сравнивать жидкости с твердыми телами: вода (Е_в=2*10⁹Па) и сталь (Е=2*10¹¹Па), т.е. вода в 100 раз легче сжимается, чем сталь. Свинец (Е_св=16*10⁹Па), т.е. у свинца и воды свойства одного порядка. Следует отметить, что при таких высоких давлениях начинает проявляться свойство сжимаемости жидкости, объем ее уменьшается согласно равенству, которое выражает закон Гука для сжатой жидкости:

Здесь , - разность между рабочим и начальным (например атмосферным) давлениями рабочей жидкости, Па; - разность между начальным (например атмосферным) и рабочим -объемами жидкости; ; -модуль упругости жидкости, Па.

Например, объем масла АМГ – 10 (ГОСТ 6794 – 53)

Па = Па при давлении 150 атм. изменит свой объем на 1, 15% по сравнением с начальным (например атмосферным) объемом:

· Основное свойство жидкостей – текучесть. Объясняется тем, что жидкости в покое не препятствует изменение формы т.е, направление сдвига легко переливаются и всегда занимают ограниченный объем форма, которого определяется формой сосуда.

· Свойство определяет область применения жидкостей как рабочих тел гидравлических машин. Действует открытый Паскалем закон: жидкости способны передавать без изменения давление во все точки заполненные жидкостью. Ньютон открыл внутренние трения в жидкости, проявляющие только при движении жидкости. Эти силы внутреннего трения на турбулентных режимах пропорциональны квадрату скорости и могут составлять основные сопротивления движения транспорта. Из-за этих сил испаряются и взрываются метеориты, которые попадают в плотные слои атмосферы со скоростью 7-10 км/с. Это сопротивление является основным для движения кораблей, самолетов и транспорта.

Основные свойства сжимаемости жидкости определяется уравнением Жуковского (з. Гука).

1- начало сжатия

2- конец сжатия.

Минус указывает на то, что V₂< V₁, а p₂> p₁.

Газы.

В газообразных телах расстояние между молекулами также определяется температурой и давлением окружающей среды. Тут температуры более высокие, а давление в основном меньше, чем для жидких тел. Расстояние между молекулами больше, чем в жидкостях, поэтому газы занимают весь объем и существуют меньшие сопротивления сжатию, чем в жидкости и твердом теле. Модуль упругого сжатия газом (модуль упругости) равен действию в газе давлению. Чем больше давление, тем выше упругие свойства, поэтому при высоких давлениях пузырьки сжатого воздуха в рабочих телах гидропривода при рабочем давлении более 100 атм. Практически не уменьшают рабочие свойства работы жидкости (пузырьки жесткие). Итог Газы по сравнению с жидкостями считаются сжимаемыми средами, а жидкости по сравнению с газами- несжимаемыми.

Понятие о работе расширения- сжатия жидкостей и газов.

Так как газы при сжатии до одного и того же давления уменьшают свой объем существенно больше, чем жидкости, то они при сжатии накапливают, а при расширении отдают большую энергию жидкости.

pdV – это есть работа, pdV=p*S*dx→ dV=S*dx

F=p*S

=> Тот факт, что газы направленный воздух используют в качестве рабочего тела тепловых машин, а жидкости не используют, а используют в гидроприводе.

Это объясняет то, сто баллоны предназначенные для хранения газа высокого давления (воздух, азот) отпрессован (проверен на прочность) не этими газами, а водой или техническим масло, т.к. жидкости при сжатии накапливают меньшую энергию сжатия, чем газы.

Газы используются как рабочие тела тепловых машин, т.к. они накапливают большую работу сжатия, а потом отдают при расширении. Рабочем телом ДВС является воздух.

Аномальные свойства воды.

Вода в отличие от всех физических тел на земле обладает аномальными свойствами:

1. При нагревании от 0⁰ до 3, 8⁰С вода в отличие от всех тел не расширяется, в сужается и самая плотная вода ρ _{+3, 9}=10³ кг/м³

2. Твердая фаза – лед не тонет, т.к. объем твердой фазы на 8 % больше, а по плотности меньше.

3. Обладают большой теплоемкостью по сравнения с воздухом С_р=4, 2*10³ Дж/кг*К (вода) и С_р=10³ Дж/кг*К (воздух)

4. Теплопроводность выше, чем у воздуха.

Эти аномальные свойства воды наряду с другими свойствами, например, способностью хорошо растворятся в воде, накапливают и передают информацию и обеспечивает жизнь на земле. У воды высокая температура парообразования. Способность воды передавать давление по з. Паскаля используется в различных гидромашинах.