В природе различают четыре агрегатных состояния вещества: твёрдое, жидкое, газообразное и плазменное. Жидкость занимает промежуточное положение между твёрдыми телами и газами. Свойства жидкостей при низкой температуре и высоком давлении близки к свойствам твёрдых тел, а при высокой температуре и низком давлении – к свойствам газов.
Жидкость, как всякое тело, имеет молекулярное строение, т.е. состоит из молекул, объём пустот между атомами намного превосходит объём самих молекул. Причём в жидкостях и твёрдых телах объём пустот между молекулами меньше, а межмолекулярные силы больше, чем в газах. Ввиду бесконечной малости молекул и пустот между ними по сравнению с рассматриваемыми объёмами жидкости можно рассматривать жидкости и газы в виде некоторой сплошной среды, придавая ей свойства непрерывности.
Жидкость - это физическое тело, обладающее лёгкой подвижностью частиц, текучестью и способное изменять свою форму под воздействием внешних сил.
Жидкости разделяют на сжимаемые (газообразные) и несжимаемые или весьма малосжимаемые (капельные).
Для облегчения изучения законов движения жидкости вводят понятия идеальной и реальной жидкости.
Идеальные - невязкие жидкости, обладающие абсолютной подвижностью, т.е. отсутствием сил трения и касательных напряжений и абсолютной неизменностью в объёме под воздействием внешних сил.
Реальные - вязкие жидкости, обладающие сжимаемостью, сопротивлением растягивающим и сдвигающим усилиям и достаточной подвижностью, т.е. наличием сил трения и касательных напряжений.
Реальные жидкости могут быть ньютоновскими и неньютоновскими (бингамовскими). В ньютоновских жидкостях при движении одного слоя жидкости относительно другого величина касательного напряжения пропорциональна скорости сдвига. При относительном покое эти напряжения равны нулю. Такая закономерность была установлена Ньютоном в 1686 году, поэтому эти жидкости (вода, масло, бензин, керосин, глицерин и др.) называют ньютоновскими жидкостями.
Неньютоновские жидкости не обладают большой подвижностью и отличаются от ньютоновских жидкостей наличием касательных напряжений (внутреннего трения) в состоянии покоя. Эта особенность была подмечена Ф.Н.Шведовым (1889), а затем Бингемом (1916), поэтому такие жидкости (битум, гидросмеси, глинистый раствор, коллоиды, нефтепродукты при температуре, близкой к температуре застывания) получили и другое название - бингемовские.
Силы, действующие в жидкости, принято делить на внутренние и внешние.
Внутренние силы представляют собой силы взаимодействия частиц жидкости, внешние силы делятся на силы поверхностные и объёмные.
Поверхностные силы (сжатие, давление, растяжение, силы трения) приложены к поверхностям, ограничивающим объём жидкости.
Объёмные силы (например, сила тяжести, сила инерции, электромагнитная сила) распределяются по всему объёму жидкости.
С термодинамической точки зрения состояние жидкости или пара характеризуется тремя параметрами: давлением p, плотностью r и температурой T, связанными между собой уравнением состояния.
Исходной единицей давления в Международной системе единиц СИ является паскаль:
=1Па=1
.
На практике используют более крупные единицы – гектапаскаль (1гПа = 102 Па), килопаскаль (1кПа = 103 Па), бар (1бар = 105 Па) и мегапаскаль (1МПа = 106 Па).
В технической литературе часто встречается другая единица измерения давления - техническая атмосфера (ат).
.
Плотность выражается в единицах массы, приходящихся на единицу объёма.
Исходной единицей массы в СИ служит 1 кг
Размерность плотности
.
Основные гипотезы и понятия сплошной среды
Классическая гидромеханика основана на трёх утверждениях:
1) справедлива классическая механика - механика Ньютона
2) справедлива классическая термодинамика
3) справедлива гипотеза сплошности.
Первое утверждение предполагает, что изучаются движения со скоростями, малыми по сравнению со скоростями света и рассматриваются объекты, размеры которых существенно превосходят размеры микромира.
Второе утверждение предполагает, что в окрестности каждой точки жидкость находится в состоянии термодинамического равновесия, вследствие чего можно пользоваться термодинамическими законами.
Третье утверждение предполагает замену реальной жидкости с её дискретным молекулярным строением моделью сплошного распределения вещества по рассматриваемому объёму. Возможность такой замены и носит название гипотезы сплошности.
Плотность жидкости в данной точке определяется как предел:
.
В системе СИ единица плотности 
.
В технических приложениях часто используется такая единица
СИ - вес единицы объёма или удельный вес :
.
Размерность удельного веса
.
Объёмные и поверхностные силы
Поверхностные силы (сжатие, давление, растяжение, силы трения) приложены к поверхностям, ограничивающим объём жидкости.
Объёмные силы (например, силы тяжести, сила инерции, электромагнитная сила) распределяются по всему объёму жидкости.
Пусть 
главный вектор объёмных сил, действующих в объёме 
. Тогда вводится понятие плотности распределения объёмных сил в виде предела
.
Рассмотрим поверхностные силы. Пусть 
- главный вектор силы, приложенной с одной стороны, к площадке 
. Индекс "n" означает не проекцию силы, а указание на то, что сила действует на площадке
, произвольно ориентированной в пространстве. Введём в рассмотрение вместо силы напряжение
.
|
Рис. 5 |
Рассмотрим тетраэдр, три грани которого параллельны координатным плоскостям, а четвёртая ориентирована произвольным образом ( рис. 5 ). Обозначим площади граней Ориентация площадки определяется единичной нормалью |
, 
, 
. 
с направляющими косинусами nx, ny, nz.. Тогда справедливы соотношения:
,
, 
.
Пусть высота тетраэдра равна h. Тогда его объём равен 
.
Воспользуемся вторым законом Ньютона и составим уравнение движения тетраэдра:
.
где 
- ускорение центра масс тетраэдра.
Переходя к пределу (устремляя
), получим
.
Получим формулу Коши, утверждающую, что напряжения на гранях образуют систему взаимно уравновешенных напряжений.
Проектируя векторное уравнение на оси координат, получим три скалярных уравнения:
,
,
.
|
|
Напряжённое состояние в произвольной точке сплошной среды ( рис. 6 ) характеризуется девятью компонентами, образующими тензор второго ранга или диаду:
|
Рис. 6
.
Тензор напряжений в произвольной точке пространства обладает свойством симметрии (теорема Коши о взаимности касательных напряжений)
pai=pia .
Он содержит лишь шесть независимых компонент.
Рассмотрим равенство Коши для случая отсутствия касательных напряжений, т.е. полагая pia= 0. Поскольку вязкость по гипотезе Ньютона проявляется только при наличии неоднородного поля скоростей, сделанное предположение будет соответствовать либо покою жидкости, либо её движению как твёрдого тела6 либо равенству нулю вязкости (n = 0).
Итак
, 
, 
.
С другой стороны,
, 
, 
.
Сравнивая равенства, находим
.
Введём понятие давления Р согласно равенствам
.
Таким образом, в случае отсутствия касательных напряжений давление в точке является скалярной величиной, т.е. оно не зависит от ориентации площадки, проходящей через рассматриваемую точку. Знак минус означает, что давление рассматривается как сжимающее напряжение.
Температура жидкости выражается в единицах градусов абсолютной шкалы
.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему