Фізичні властивості рідин і газів
У гідромеханіки прийнято об'єднувати рідини, гази і пари під однією назвою - рідини. Це пов'язано з тим, що закони руху рідин і газів (парів) однакові, якщо їх швидкості значно нижче швидкості звуку. Рідинами називаються всі речовини, що володіють плинністю при додатку до них самих незначних сил зсуву.
При виведенні основних закономірностей в гідромеханіці також вводиться поняття ідеальної рідини, яка, на відміну від реальної (в'язкої) рідини, абсолютно нестислива під дією тиску, не змінює густини при зміні температури і не володіє в'язкістю.
Маса рідини, що міститься в одиниці об'єму V. являє собою щільність тіла
Величина, зворотна щільності і представляє собою обсяг, яку він обіймав одиницею маси, називається питомим об'ємом:
Вага одиниці об'єму рідини називається питомою вагою:
Питома вага рідини і її щільність пов'язані співвідношенням
Щільність, питомий об'єм і питома вага відносяться до найважливіших характеристик рідин.
Реальні рідини діляться на краплинні і пружні. Краплинні рідини нестисливі і володіють малим коефіцієнтом об'ємного розширення. Обсяг пружних рідин змінюється при зміні температури і тиску (гази, пари). У більшості технічних завдань гази вважають ідеальними. Стан ідеального газу описується рівнянням Клапейрона-Менделєєва
де - універсальна газова постійна, рівна 8314 Дж / (кмоль · К).
Це рівняння можна записати для розрахунку щільності газу
У ряді завдань необхідно враховувати також стан рідин. Для ізоентропійним процесів в рідині можна застосовувати рівняння Тета
де - тиск молекулярного взаємодії; n- коефіцієнт, що залежить від властивостей рідин. Для води »3,2 × 108 Па, n» 7,15.
Залежно від температури і тиску речовина може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому і газоподібному. У твердих тілах молекули взаємопов'язані між собою, розташовані в певному порядку і здійснюють тільки теплове коливальний рух. Імовірність покинути займане молекулою (атомом) місце мала. Тому тверді тіла зберігають задану форму і об'єм.
У рідинах тепловий рух молекул істотно вище, частина молекул отримує достатню енергію збудження і залишає свої місця. Тому в рідини молекули переміщаються по всьому об'єму, але їх кінетична енергія залишається недостатньою для виходу за межі рідини. У зв'язку з цим рідини зберігають свій об'єм.
У газах тепловий рух ще більше, молекули видалені настільки, що взаємодія між ними стає недостатнім для утримання на певному віддаленні, тобто газ має можливість безмежно розширюватися.
Вільне перемішування молекул в рідинах і газах призводить до того, що вони змінюють свою форму при додатку як завгодно малого силового дії. Це явище називають плинністю. Рідини і гази приймають форму того судини, в якому вони містяться.
В результаті хаотичного руху молекули в газі зазнають зіткнення. Процес зіткнення молекул характеризується ефективним діаметром молекул, під яким розуміється мінімальна відстань між центрами молекул при їх зближенні. Відстань, яку молекула проходить між зіткненнями, називається вільним пробігом молекули.
В результаті перенесення кількості руху при переході молекул, що рухаються в шарах з різними швидкостями, виникає дотична сила, що діє між цими шарами. Властивість рідини і газу чинити опір сдвигающим зусиллям називають в'язкістю.
Розташуємо в рідкому середовищі пластину 1 на деякій відстані від стінки (рис. 2.1).
Нехай пластина рухається щодо стінки 2 зі швидкістю w. Так як рідина буде захоплюватися пластиною, то в зазорі встановиться пошарове протягом рідини зі швидкостями, що змінюються від 0 до w. Виділимо в рідині шар товщиною dy. Очевидно, що швидкості нижньої і верхньої поверхонь шару будуть відрізнятися по товщині на dw. В результаті теплового руху молекули безперервно переходять з нижнього шару в верхній і назад. Так як їх швидкості різні, то їх кількості руху теж різні. Але, переходячи з шару в шар, вони повинні приймати кількість руху, характерне даного шару, тобто матиме місце безперервна зміна кількості руху, від чого з'явиться дотична сила між шарами.
Позначимо через dT дотичну силу, діючу на поверхню шару площею dF, тоді
Досвід показує, що дотична сила Т. яку треба докласти для зсуву, тим більше, чим більше градієнт швидкості, що характеризує зміну швидкості, що припадає на одиницю відстані по нормалі між шарами. Крім того, сила Т пропорційна площі дотику F шарів, тобто
У такій формі рівняння виражає закон внутрішнього тертя Ньютона. згідно з яким напруга внутрішнього тертя, що виникає між шарами рідини при її перебігу, прямо пропорційно градієнту швидкості.
Знак мінус у правій частині рівняння вказує на те, що дотичне напруження гальмує шар, який рухається з відносно великою швидкістю.
Коефіцієнт пропорційності в наведених рівняннях називається динамічним коефіцієнтом в'язкості.
Розмірність динамічного коефіцієнта в'язкості в СІ може бути виражена як
В'язкість рідин також можна характеризувати кинематическим коефіцієнтом в'язкості
В'язкість крапельних рідин знижується зі зростанням температури, газів - зростає. При помірному тиску в'язкість газів від тиску не залежить, однак, починаючи з деякого тиску, в'язкість зростає при його збільшенні.
Причини різних залежностей від температури для газів і рідин в тому, що в'язкість газів має молекулярно-кінетичну природу, а крапельних рідин залежить від сил зчеплення між молекулами.
У ряді процесів хімічної технології крапельна рідина при русі стикається з газом (або парою) або з іншого крапельної рідиною, практично не змішується з першою.
Силове взаємодія молекул, які знаходяться на поверхні рідини, і молекул, розташованих далеко від неї, неоднаково. Молекула, розташована на поверхні, знаходиться в симетричному силовому стані, верхня частина силового поля її змушена взаємодіяти з молекулами, що знаходяться під поверхнею. В результаті цього потенційна енергія зв'язку в поверхневому шарі збільшується, а сам шар знаходиться в більш напруженому стані. Це явище називають поверхневий натяг.
Потенційна енергія зв'язку в поверхневому шарі
де s - коефіцієнт поверхневого натягу; dF- є поверхнею рідини, що має порядок dl2.
Енергію dE можна уявити як деяку силу, що здійснює роботу на шляху dl. тому
Таким чином, поверхня рідини стягується силою dZ пропорційною довжині, на якій вона діє. Цю силу називають силою поверхневого натягу.
Поверхневий натяг виявляється в тому, що виділений об'єм рідини прагне прийняти сферичну форму, особливо це помітно на малих обсягах - краплях. Дія сили поверхневого натягу призводить до збільшення тиску всередині краплі, спрямованого всередину рідини по нормалі до її поверхні.
Поверхневий натяг зменшується зі збільшенням температури. З величиною пов'язані характеристики змочування крапельними рідинами твердих матеріалів. Змочування впливає на гідродинамічні умови протікання процесів в абсорбційних і ректифікаційних апаратах, конденсаторах і т.п.
Поверхневий натяг значно впливає на розпорошення однієї рідини в іншій, з нею не змішується, і тому істотно позначається на гідродинамічних умовах проведення процесів рідинної екстракції.