Физика давление жидкостей и газов. Зависит ли давление от плотности жидкости? Цели урока: повторить и проверить знания, полученные по изучению давления в жидкостях и газах, и знание физических формул, необходимых для решения задач

Молекулы газа, совершая беспорядочное, хаотическое движение, не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодей­ствия, поэтому они движутся свободно и в результате соударений стремятся раз­лететься во все стороны, заполняя весь предоставленный им объем, т. е. объем газа определяется объемом того сосуда, который газ занимает.

Как и газ, жидкость принимает форму того сосуда, в который она заключена. Но в жидкостях в отличие от газов среднее расстояние между молекулами остается практически постоянным, поэтому жид­кость обладает практически неизменным объемом.

Хотя свойства жидкостей и газов во многом отличаются, в ряде механических явлений их поведение определяется одина­ковыми параметрами и идентичными урав­нениями. Поэтому гидроаэромеханика - раздел механики, изучающий равновесие и движение жидкостей и газов, их взаимо­действие между собой и обтекаемыми ими твердыми телами, - использует единый подход к изучению жидкостей и газов.

В механике с большой степенью точно­сти жидкости и газы рассматриваются как сплошные, непрерывно распределенные в занятой ими части пространства. Плот­ность жидкости мало зависит от давления. Плотность же газов от давления зависит существенно. Из опыта известно, что сжи­маемостью жидкости и газа во многих за­дачах можно пренебречь и пользоваться единым понятием несжимаемой жидкости- жидкости, плотность которой всюду одинакова и не изменяется со временем.

Если в покоящуюся жидкость по­местить тонкую пластинку, то части жид­кости, находящиеся по разные стороны от нее, будут действовать на каждый ее эле­мент ΔS с силами Δ , которые независимо от того, как пластинка ориентирована, будут равны по модулю и направлены перпендикулярно площадке ΔS , так как наличие касательных сил привело бы частицы жидкости в движение.

Физическая величина, определяемая нормальной силой F n , действующей со сторо­ны жидкости на единицу площади, назы­вается давлениемр жидкости (p = F n /S ).

Единица давления - Паскаль(Па): 1 Па равен давлению, создаваемому си­лой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м 2 .

Внесистемными единицами давления считаются 1 Бар = 10 5 Па, 1 физическая атмосфера (1 атм =760 мм. рт. ст., где 1 мм. рт. ст. =133 Па).

Давление при равновесии жидкостей (газов) подчиняется закону Паскаля : давление в любом месте покоящейся жид­кости одинаково по всем направлениям, причем давление одинаково передается по всему объему, занятому покоящейся жид­костью.

Рассмотрим, как влияет вес жидкости на распределение давления внутри покоя­щейся несжимаемой жидкости. При рав­новесии жидкости давление по горизонта­ли всегда одинаково, иначе не было бы равновесия. Поэтому свободная повер­хность покоящейся жидкости всегда гори­зонтальна вдали от стенок сосуда. Если жидкость несжимаема, то ее плотность не зависит от давления. Тогда при попере­чном сечении S столба жидкости, его вы­соте h и плотности ρ вес P = ρgSh, а дав­ление на нижнее основание

p = P/S = ρgSh/S = ρgh , (6.1)

т. е. давление изменяется линейно с высо­той. Давление ρgh называется гидростати­ческим давлением.

Согласно формуле (6.1), сила давле­ния на нижние слои жидкости будет боль­ше, чем на верхние, поэтому на тело, по­груженное в жидкость, действует выталки­вающая сила, определяемая законом Архимеда :на тело, погруженное в жид­кость (газ), действует со стороны этой жидкости направленная вверх выталкива­ющая сила, равная весу вытесненной те­лом жидкости (газа):

F A = ρgV ,

где ρ - плотность жидкости, V - объем погруженного в жидкость тела.

Уравнение неразрывности

Движение жидкостей называется течени­ем , а совокупность частиц движущейся жидкости - потоком. Графически движе­ние жидкостей изображается с помощью линий тока , которые проводятся так, что касательные к ним совпадают по направ­лению с вектором скоро сти жидкости в со­ответствующих точках пространства (рис.6.1). Линии тока проводятся так, чтобы густота их, характеризуемая отно­шением числа линий к площади перпендикулярной им площадки, через которую они проходят, была больше там, где больше скорость течения жидкости, и меньше там, где жидкость течет медленнее. Таким об­разом, по картине линий тока можно су­дить о направлении и модуле скорости в разных точках пространства, т. е. можно определить состояние движения жидкости. Линии тока в жидкости можно «проя­вить», например, подмешав в нее какие-либо заметные взвешенные частицы.

Часть жидкости, ограниченную линия ми тока, называют трубкой тока. Течение жидкости называется установившимся (или стационарным ), если форма и распо­ложение линий тока, а также значения скоростей в каждой ее точке со временем не изменяются. Рассмотрим какую-либо трубку тока. Выберем два ее сечения S 1 и S 2 , перпенди­кулярные направлению скорости (рис.6.2).

За время Δt через сечение S проходит объем жидкости Sυ Δt ; следовательно, за 1с через S 1 пройдет объем жидкости S 1 υ 1 , где υ 1 - S 1 . Через сечение S 2 за 1 с пройдет объем жидкости S 2 υ 2 , где υ 2 - скорость течения жидкости в месте сечения S 2 . Здесь предполагается, что ско­рость жидкости в сечении постоянна. Ес­ли жидкость несжимаема (ρ = const), то через сечение S 2 пройдет такой же объем жидкости, как и через сечение S 1 , т. е.

S 1 υ 1 = S 2 υ 2 = const . (6.2)

Следовательно, произведение скоро­сти течения несжимаемой жидкости на поперечное сечение трубки тока есть ве­личина постоянная для данной трубки то­ка. Соотношение (6.2) называется урав­нением неразрывности для несжимаемой жидкости.

Жидкость в гидравлике рассматривают как сплошную среду без пустот и промежутков. Кроме того, не учитывают влияние отдельных молекул, то есть даже бесконечно малые частицы жидкости считают состоящими из весьма большого количества молекул.

Из курса физики известно, что вследствие текучести жидкости, т.е. подвижности ее частиц, она не воспринимает сосредоточенные силы. Поэтому в жидкости действуют только распределенные силы, причем эти силы могут распределяться по объему жидкости(массовые или объемные силы) или по поверхности (поверхностные силы).

Объемные (массовые) силы

К объемным (массовым) силам относятся силы тяжести и силы инерции. Они пропорциональны массе и подчиняются второму закону Ньютона.

Поверхностные силы

К поверхностным силам следует отнести силы, с которыми воздействуют на жидкость соседние объемы жидкости или тела, так как это воздействие осуществляется через поверхности. Рассмотрим их подробнее.

Пусть на плоскую поверхность площадью S под произвольным углом действует сила R

Силу R можно разложить на тангенциальную Т и нормальную F составляющие.

Сила трения

Тангенциальная составляющая называется силой трения Т и вызывает в жидкости касательные напряжения (или напряжения трения):

Единицей измерения касательных напряжений в системе СИ является Паскаль (Па) - ньютон, отнесенный к квадратному метру (1 Па = 1 Н/м 2).

Давление в жидкости

Нормальная сила F называется силой давления и вызывает в жидкости нормальные напряжения сжатия, которые определяются отношением:

Нормальные напряжения, возникающие в жидкости под действием внешних сил, называются гидромеханическим давлением или просто давлением.

Системы отсчета давления

Рассмотрим системы отсчета давления. Важным при решении практических задач является выбор системы отсчета давления (шкалы давления). За начало шкалы может быть принят абсолютный нуль давления. При отсчете давлений от этого нуля их называют абсолютными - P абс .

Однако, как показывает практика, технические задачи удобнее решать, используя избыточные давления P изб , т.е. когда за начало шкалы принимается атмосферное давление.

Давление, которое отсчитывается "вниз" от атмосферного нуля, называется давлением вакуума P вак , или вакуумом.

P абс = P атм + P изб

где P атм - атмосферное давление, измеренное барометром.

Связь между абсолютным давлением P абс и давлением вакуума P вак можно установить аналогичным путем:

P абс = P атм - P вак

И избыточное давление, и вакуум отсчитываются от одного нуля (P атм ), но в разные стороны.

Таким образом, абсолютное, избыточное и вакуумное давления связаны и позволяют пересчитать одно в другое.

Единицы измерения давления

Практика показала, что для решения технических (прикладных) задач наиболее удобно использовать избыточные давления. Основной единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па), который равен давлению, возникающему при действии силы в 1 Н на площадь размером 1 м2 (1 Па = 1 Н/м2).

Однако чаще используются более крупные единицы: килопаскаль (1 кПа = 10 3 Па) и мегапаскаль (1 МПа = 10 6 Па).

В технике широкое распространение получила внесистемная единица - техническая атмосфера (ат), которая равна давлению, возникающему при действии силы в 1 кгс на площадь размером 1 см 2 (1 ат = 1 кгс/см 2).

Соотношения между наиболее используемыми единицами следующие:

10 ат = 0,981 МПа ≈ 1 МПа или 1 ат = 98,1 кПа ≈ 100 кПа.

В зарубежной литературе используется также единица измерения давления бар

(1 бар = 105 Па).

В каких ещё единицах измеряется давление, можно посмотреть

Рассмотрим некоторые свойства жидкостей, которые оказывают наиболее существенное влияние на происходящие в них процессы и поэтому учитываются при расчетах гидравлических систем.

Плотность и удельный вес

Важнейшими характеристиками механических свойств жидкости являются ее плотность и удельный вес. Они определяют "весомость" жидкости.

Под плотностью ρ (кг/м 3) понимают массу жидкости m , заключенную в единице ее объема V, т.е.

Вместо плотности в формулах может быть использован также удельный вес γ (Н/м 3), т.е. вес G = m⋅g, приходящийся на единицу объема V:

γ = G / V = m⋅g / V = ρ⋅g

Изменения плотности и удельного веса жидкости при изменении температуры и давления незначительны, и в большинстве случаев их не учитывают.

Плотности наиболее употребляемых жидкостей и газов (кг/м 3):

Вязкость

Вязкость - это способность жидкости сопротивляться сдвигу, т. е. свойство, обратное текучести (более вязкие жидкости являются менее текучими). Вязкость проявляется в возникновении касательных напряжений (напряжений трения).

Рассмотрим слоистое течение жидкости вдоль стенки (рисунок)

В этом случае происходит торможение потока жидкости, обусловленное ее вязкостью. Причем скорость движения жидкости в слое тем ниже, чем ближе он расположен к стенке. Согласно гипотезе Ньютона касательное напряжение, возникающее в слое жидкости на расстоянии у от стенки, определяется зависимостью:

Закон трения Ньютона

где dv/dy - градиент скорости, характеризующий интенсивность нарастания скорости v при удалении от стенки (по оси у), μ ‑ динамическая вязкость жидкости.

Течения большинства жидкостей, используемых в гидравлических системах, подчиняются закону трения Ньютона, и их называют ньютоновскими жидкостями.

Однако следует иметь в виду, что существуют жидкости, в которых закон Ньютона в той или иной степени нарушается. Такие жидкости называют неньютоновскими.

Величина μ, входящая в формулу (динамическая вязкость жидкости), измеряется в Па⋅ с либо в пуазах 1 П = 0.1 Па⋅ с. Пуа́з (обозначение: П, до 1978 года пз; международное - P; от фр. poise) - единица динамической вязкости в системе единиц СГС. Один пуаз равен вязкости жидкости, оказывающей сопротивление силой в 1 дину взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 см², находящихся на расстоянии 1 см друг от друга и взаимно перемещающихся с относительной скоростью 1 см/с.

1 П = 1 г / (см·с) = 0,1 Н·с/м²

Единица названа в честь Ж. Л. М. Пуазёйля. Пуаз имеет аналог в системе СИ - паскаль-секунда (Па·c).

1 Па·c = 10 П

Вода при температуре 20 °C имеет вязкость 0,01002 П, или около 1 сантипуаза.

Однако на практике более широкое применение нашла

Кинематическая вязкость:

Единицей измерения последней в системе СИ является м 2 /с или более мелкая единица - см 2 /с, которую принято называть стоксом, 1 Ст = 1 см 2 /с. Для измерения вязкости также используются сантистоксы: 1 сСт = 0,01 Ст.

Вязкость жидкостей существенно зависит от температуры, причем вязкость капельных жидкостей с повышением температуры падает, а вязкость газов - растет (см. рисунок).

Это объясняется тем, что в капельных жидкостях, где молекулы расположены близко друг к другу, вязкость обусловлена силами молекулярного сцепления. Эти силы с ростом температуры ослабевают, и вязкость падает. В газах молекулы располагаются значительно дальше друг от друга. Вязкость газа зависит от интенсивности хаотичного движения молекул. С ростом температуры эта интенсивность растет и вязкость газа увеличивается.

Вязкость жидкостей зависит также от давления, но это изменение незначительно, и в большинстве случаев его не учитывают.

Сжимаемость

Сжимаемость - это способность жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость капельных жидкостей и газов существенно различается. Так, капельные жидкости при изменении давления изменяют свой объем крайне незначительно. Газы, наоборот, могут значительно сжиматься под действием давления и неограниченно расширяться при его отсутствии.

Для учета сжимаемости газов при различных условиях могут быть использованы уравнения состояния газа или зависимости для политропных процессов.

Сжимаемость капельных жидкостей характеризуется коэффициентом объемного сжатия β р (Па -1):

где dV - изменение объема под действием давления; dр - изменение давления; V - объем жидкости.

Знак "минус" в формуле обусловлен тем, что при увеличении давления объем жидкости уменьшается, т.е. положительное приращение давления вызывает отрицательное приращение объема.

При конечных приращениях давления и известном начальном объеме V 0 можно определить конечный объем жидкости:

V 1 = V 0 ·(1 - β р ·Δp)

а также ее плотность

Величина, обратная коэффициенту объемного сжатия β р, называется объемным модулем упругости жидкости (или модулем упругости ) К = 1/ β р (Па).

Эта величина входит в обобщенный закон Гука, связывающий изменение давления с изменением объема

Модуль упругости капельных жидкостей изменяется при изменении температуры и давления. Однако в большинстве случаев K считают постоянной величиной, принимая за нее среднее значение в данном диапазоне температур или давлений.

Модули упругости некоторых жидкостей (МПа):

Температурное расширение

Способность жидкости изменять свой объем при изменении температуры называется температурным расширением. Оно характеризуется коэффициентом температурного расширения β t:

где dT- изменение температуры; dV- изменение объема под действием температуры; V - объем жидкости.

При конечных приращениях температуры:

V 1 = V 0 ·(1 + β t ·ΔT)

Как видно из формул, с увеличением температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается.

Коэффициент температурного расширения жидкостей зависит от давления и температуры:

То есть при разных условиях коэффициент температурного расширения изменился в 50 раз. Однако на практике обычно принимают среднее значение в данном диапазоне температур и давления.Например, для минеральных масел β t ≈ 800·10 -6 1/град.

Газы весьма значительно изменяют свой объем при изменении температуры. Для учета этого изменения используют уравнения состояния газов или формулы политропных процессов.

Испаряемость

Любая капельная жидкость способна изменять свое агрегатное состояние, в частности превращаться в пар. Это свойство капельных жидкостей называют испаряемостью. В гидравлике наибольшее значение имеет условие, при котором начинается интенсивное парообразование по всему объему - кипение жидкости.

Для начала процесса кипения должны быть созданы определенные условия (температура и давление). Например, дистиллированная вода закипает при нормальном атмосферном давлении и температуре 100°С. Однако это является частным случаем кипения воды. Та же вода может закипеть при другой температуре, если она будет находиться под воздействием другого давления, т. е. для каждого значения температуры жидкости, используемой в гидросистеме, существует свое давление, при котором она закипает.

Давление при котором жидкость закипает, называют давлением насыщенных паров (p н.п.).

Величина p н.п. всегда приводится как абсолютное давление и зависит от температуры.

Для примера на рисунке приведена зависимость давления насыщенных паров воды от температуры.

На графике выделена точка А, соответствующая температуре 100°С и нормальному атмосферному давлению р а. Если на свободной поверхности воды создать более высокое давление р 1 , то она закипит при более высокой температуре Т 1 (точка В на рисунке). И наоборот, при малом давлении р 2 вода закипает при более низкой температуре Т 2 (точка С).

Растворимость газов

Многие жидкости способны растворять в себе газы. Эта способность характеризуется количеством растворенного газа в единице объема жидкости, различается для разных жидкостей и изменяется с увеличением давления.

Относительный объем газа, растворенного в жидкости до ее полного насыщения, можно считать по закону Генри прямо пропорциональным давлению, то есть:

где V г - объем растворенного газа, приведенный к нормальным условиям (p 0 , Т 0);
V ж - объем жидкости;
k - коэффициент растворимости;
р - давление жидкости.

Коэффициент k имеет следующие значения при 20°С:

При понижении давления выделяется растворенный в жидкости газ, причем интенсивнее, чем растворяется в ней. Это явление может отрицательно сказывается на работе гидросистем.

Как известно, сила тяжести действует на все тела на Земле: и на твердые, и на жидкие, и на газообразные.
Рассмотрим жидкости. Нальем в сосуд, у которого вместо дна гибкая мембрана, воду. Мы наблюдаем, как резиновая пленка начинает прогибаться. Нетрудно догадаться, что под действием силы тяжести вес столба жидкости давит на дно сосуда. Причем, чем выше уровень налитой жидкости, тем больше растягивается резиновая мембрана. После того, как резиновое дно прогнулось, вода останавливается (приходит в равновесие), так как кроме силы тяжести, на воду действует сила упругости резиновой мембраны, которые и уравновешивают силу давления воды на дно.
Рассмотрим, давит ли жидкость на стенки сосуда? Возьмем сосуд с отверстиями в боковой стенке. Нальем в него воду. И быстро откроем отверстия. Мы наблюдаем картину, очень похожую на опыт с шаром Паскаля. Но при этом никакого внешнего давления на жидкость мы не оказывали. Для объяснения этого опыта необходимо вспомнить закон Паскаля.
Каждый слой жидкости, каждая молекула своим весом давит на нижние слои. При этом согласно закону Паскаля, это давление передается по всем направлениям и одинаково, в отличие от твердых тел, вес которых действует только в одном направлении. Так на нижние слои жидкости в сосуде действует большее количество молекул жидкости, чем на верхние — давление в нижней части сосуда больше. И как результат, напор воды из нижнего отверстия значительно больше.
Проведем еще один опыт. Поместим в большой сосуд с водой колбу с отпадающим дном. Для этого вначале плотно прижмем дно с помощью веревки. Когда сосуд окажется в воде, можно отпустить веревку. Что же плотно прижало дно к цилиндрическому сосуду? Дно к стенкам сосуда прижало давление воды, которое действует снизу вверх.
Теперь медленно и аккуратно начнем доливать воду в пустой сосуд. Как только уровни жидкостей в обоих сосудах станут одинаковыми, дно отпадет от сосуда.
Так как силы давления воды внутри цилиндра и снаружи стали одинаковыми, дно будет вести себя так же, как и в воздухе - как только мы отпустим веревку, дно будет отпадать вследствие земного притяжения.
В момент отрыва на дно давит сверху вниз столб жидкости в сосуде, а снизу вверх на дно передается давление такого же по высоте столба жидкости, но находящегося в банке.
Все эти опыты также можно провести и с другими жидкостями. Результат будет одинаковым.
Опытным путем, мы установили, что внутри жидкости существует давление. На одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается. Газы также имеют вес, этим и обусловлены схожие свойства передачи давления, как у жидкостей, так и у газов. Однако у газа плотность, по сравнению с жидкостью, значительно меньше. Поговорим еще об одном удивительном, и, казалось бы, невозможном явлении, которое получило название «гидростатический парадокс». Воспользуемся специальным прибором для демонстрации этого явления.
Используем в опыте три сосуда разной формы, заполненные жидкостью до одного уровня. Площадь дна всех сосудов одинакова и закрыта резиновой мембраной. Налитая жидкость растягивает мембрану. Прогибаясь, резиновая пленка давит на рычаг и отклоняет стрелку прибора.
Стрелка прибора во всех трех случаях отклоняется одинаково. Значит давление, создаваемое жидкостью, одинаковое и не зависит от веса налитой жидкости. Этот факт получил название гидростатического парадокса. Он объясняется тем, что жидкость, в отличие от твердых тел, часть давления передаст также стенкам сосудов.

Жидкости и газы передают по всем направлениям приложенное к ним давление. Об этом гласит закон Паскаля и практический опыт.

Но существует еще и собственный вес, который тоже должен влиять на давление, существующее в жидкостях и газах. Вес собственных частей или слоев. Верхние слои жидкости давят на средние, средние на нижние, а последние - на дно. То есть мы можем говорить о существовании давления столба покоящейся жидкости на дно.

Формула давления столба жидкости

Формула для расчета давления столба жидкости высотой h имеет следующий вид:

где ρ - плотность жидкости,
g - ускорение свободного падения,
h - высота столба жидкости.

Это формула так называемого гидростатического давления жидкости.

Давление столба жидкости и газа

Гидростатическое давление, то есть, давление, оказываемое покоящейся жидкостью, на любой глубине не зависит от формы сосуда, в котором находится жидкость. Одно и то же количество воды, находясь в разных сосудах, будет оказывать разное давление на дно. Благодаря этому можно создать огромное давление даже небольшим количеством воды.

Это очень убедительно продемонстрировал Паскаль в семнадцатом веке. В закрытую бочку, полную воды, он вставил очень длинную узкую трубку. Поднявшись на второй этаж, он вылил в эту трубку всего лишь одну кружку воды. Бочка лопнула. Вода в трубке из-за малой толщины поднялась до очень большой высоты, и давление выросло до таких значений, что бочка не выдержала. То же самое справедливо и для газов. Однако, масса газов обычно намного меньше массы жидкостей, поэтому давление в газах, обусловленное собственным весом можно часто не учитывать на практике. Но в ряде случаев приходится считаться с этим. Например, атмосферное давление, которое давит на все находящиеся на Земле предметы, имеет большое значение в некоторых производственных процессах.

Благодаря гидростатическому давлению воды могут плавать и не тонуть корабли, которые весят зачастую не сотни, а тысячи килограмм, так как вода давит на них, как бы выталкивая наружу. Но именно по причине того же гидростатического давления на большой глубине у нас закладывает уши, а на очень большую глубину нельзя спуститься без специальных приспособлений - водолазного костюма или батискафа. Лишь немногие морские и океанические обитатели приспособились жить в условиях сильного давления на большой глубине, но по той же причине они не могут существовать в верхних слоях воды и могут погибнуть, если попадут на небольшую глубину.