У технічних додатках тиск зазвичай називають абсолютним тиском. Крім того, вводять так зване надлишковий тиск і вакуум, визначення яких здійснюється по відношенню до атмосферного тиску.
Якщо тиск більше атмосферного (), то перевищення тиску над атмосферним називають надлишковим тиском:
якщо тиск менше атмосферного, то недолік тиску до атмосферного називають вакуумом (або вакууметріческім тиском):
Очевидно, що обидві ці величини - позитивні. Наприклад, якщо кажуть: надлишковий тиск дорівнює 2 атм. то це означає, що абсолютна тиск одно. Якщо говорять, що в посудині вакуум становить 0,3 атм. то це означає, що абсолютна тиск в посудині одно і т.д.
Фізичні властивості рідин
Краплинні рідини - це складні системи, що володіють багатьма фізико-хімічними властивостями. Нафтова і нафтохімічна промисловість, крім води, має справу з такими рідинами, як сира нафта, світлі нафтопродукти (бензини, гас, дизельні і пічні палива і т.п.), різні масла, а також з іншими рідинами, які є продуктами переробки нафти. Зупинимося, перш за все, на тих властивостях рідини, які важливі для вивчення гідравлічних проблем транспорту і зберігання нафти і нафтопродуктів.
Щільність рідин. властивості стисливості
І теплового розширення
Кожна рідина при деяких стандартних умовах (наприклад, атмосферному тиску і температурі 20 0 С) має номінальну щільність. Наприклад, номінальна щільність прісної води становить 1000 кг / м 3. щільність ртуті дорівнює 13590 кг / м 3. сирих нафт 840-890 кг / м 3. бензинів 730-750 кг / м 3. дизельних палив 840-860 кг / м 3 . У той же час щільність повітря становить кг / м 3. а природного газу кг / м 3.
Однак при зміні тиску і температури щільність рідини змінюється: як правило, при збільшенні тиску або зменшенні температури вона збільшується, а при зменшенні тиску або збільшенні температури вона зменшується.
Зміни щільності крапельних рідин зазвичай невеликі в порівнянні з номінальним значенням (), тому для опису властивостей їх стисливості в ряді випадків використовують модель пружної рідини. У цій моделі щільність рідини залежить від тиску згідно з формулою
в якій коефіцієнт називають коефіцієнтом стисливості; щільність рідини при номінальному тиску. Ця формула показує, що перевищення тиску над веде до збільшення щільності рідини, в зворотному випадку - до зменшення.
Використовується також модуль пружності К (Па), який дорівнює. У цьому випадку формула (2.1) записується, як
Середні значення модуля пружності для води Па. нафти і нафтопродуктів Па. Звідси випливає, що відхилення щільності рідини від номінальної щільності вкрай незначні. Наприклад, якщо МПа (атм.), То для рідини з кг / м 3 відхилення складе 2,8 кг / м 3.
Рідини з тепловим розширенням
Те, що різні середовища при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискаються, враховуються в моделі рідини з об'ємним розширенням. У цій моделі щільність є функція від температури. так що :
в якій () - коефіцієнт об'ємного розширення, а й номінальні щільність і температура рідини. Для води, нафти і нафтопродуктів значення коефіцієнта наведені в таблиці 2.1.
З формули (2.3) випливає, зокрема, що при нагріванні, тобто в тих випадках, коли. рідина розширюється; а в тих випадках, коли. рідина стискається.
Коефіцієнт об'ємного розширення
Густина . кг / м 3
Приклад 1. Щільність бензину при 20 0 С дорівнює 745 кг / м 3. Яка щільність цього ж бензину при температурі 10 0 С?
Рішення . Використовуючи формулу (2.3) і таблицю 1, маємо:
кг / м 3, тобто ця щільність збільшилася на 8,3 кг / м 3.
Використовується також модель рідини, що враховує як баричне, так і теплове розширення. У цій моделі. причому справедливо наступне рівняння стану:
Приклад 2. Щільність бензину при 20 0 С і атмосферному тиску (МПа) дорівнює 745 кг / м 3. Яка щільність цього ж бензину при температурі 10 0 С і тиску 6,5 МПа?
Рішення . Використовуючи формулу (2.4) і таблицю 2.1, маємо:
кг / м 3. тобто ця щільність збільшилася на 12 кг / м 3.
У тих випадках, коли змінами щільності у частинок рідини можна знехтувати, використовують модель так званої нестисливої рідини. Щільність кожної частки такої гіпотетичної рідини залишається незмінною протягом усього часу руху (іншими словами, повна похідна), хоча вона може бути і різної у різних частинок (як, наприклад, у водонафтових емульсій). Якщо ж нестисливої рідина однорідна, то
Підкреслимо, що нестисливої рідина являє собою лише модель. яку можна використовувати в тих випадках, коли зміни щільності рідини багато менше значення самої щільності. так що .
Якщо шари рідини рухаються один щодо одного, то між ними, виникають сили тертя. Ці сили називають силами в'язкого тертя, а властивість опору відносному руху шарів - в'язкістю рідини.
Нехай, наприклад, шари рідини рухаються так, як показано на рис. 2.1.
Мал. 2.1. До визначення в'язкого тертя
Тут розподіл швидкостей в потоці, а напрямок нормалі до площадки. Верхні шари рухаються швидше нижніх, тому з боку перших діє сила тертя, захоплива другі вперед по ходу течії, а з боку нижніх шарів діє сила тертя, що гальмує рух верхніх шарів. Величина - це x -складати сили тертя між шарами рідини, розділеними майданчиком з нормаллю y. розрахована на одиницю площі.
Якщо ввести в розгляд похідну. то вона буде характеризувати швидкість зсуву, тобто різницю швидкостей шарів рідини, розраховану на одиницю відстані між ними. Виявляється, що для багатьох рідин справедливий закон, згідно з яким дотичне напруження між шарами пропорційно різниці швидкостей цих шарів, розрахованої на одиницю відстані між ними:
Сенс цього закону зрозумілий: чим більше відносна швидкість шарів рідини (швидкість зсуву), тим більше сила тертя між шарами.
Рідина, для якої справедливий закон (2.5) називають ньютонівської в'язкою рідиною. Багато краплинні рідини задовольняють цим законом, однак, що входить в нього коефіцієнт пропорційності виявляється різним для різних рідин. Кажуть, що такі рідини є ньютоновскими, але з різною в'язкістю.
Коефіцієнт пропорційності. що входить в закон (2.5), називають коефіцієнтом динамічної в'язкості.
Розмірність цього коефіцієнта така
В системі СІ вимірюється в і виражається в пуаз (Пз). Ця одиниця введена в честь Жана Луї Марі Пуазейля. (1799-1869) - видатного французького лікаря і фізика, який багато зробив для вивчення руху рідини (зокрема, крові) в трубі.
Пуаз визначається так: 1 Пз = 0,1. Щоб скласти уявлення про величину 1 Пз. зауважимо, що коефіцієнт динамічної в'язкості води в сто разів менше 1 Пз, тобто 0,01 Пз = 0,001 = 1 санти Пуаз. В'язкість бензинів становить 0,4-0,5 Пз, дизельних палив 4 - 8 Пз. нафти - 5-30 Пз і більше.
Для опису вузьких властивостей рідини мають значення інший коефіцієнт, що є відношенням коефіцієнта динамічної в'язкості до щільності рідини, а саме. Цей коефіцієнт позначають і називають коефіцієнтом кінематичної в'язкості.
Розмірність коефіцієнта кінематичної в'язкості така:
В системі СІ вимірюється м 2 / с і виражається Стокс (Джордж Габріель Стокс (1819-1903) - видатний англійський математик, фізик і гідромеханіки):
При такому визначенні кінематичної в'язкості для води маємо:
Іншими словами, одиниці вимірювання для динамічної і кінематичної в'язкості обрані таким чином, щоб і та, і інша для води була б дорівнює 0,01 одиниці: 1 СПЗ в першому випадку і 1 сСт - у другому.
Для довідки зазначимо, що кінематична в'язкість бензину становить приблизно 0,6 сСт; дизельного палива - сСт; маловязкой нафти - сСт і т.д.
Залежність в'язкості від температури. В'язкість багатьох рідин - води, нафти і майже всіх нафтопродуктів - залежить від температури. При підвищенні температури в'язкість зменшується, при зниженні - збільшується. Для розрахунку залежності в'язкості, наприклад, кінематичної від температури використовуються різні формули, в тому числі і формула О.Рейнольдса - П.А.Філонова
де кінематична в'язкість рідини при температурі. а (1 / K) - досвідчений коефіцієнт. Формула (2.6) відображає той факт, що зі зміною температури в'язкість рідини змінюється експоненціально.
Для того щоб скористатися формулою (2.6), необхідно знати або коефіцієнт. або в'язкість тієї ж рідини ще при одній температурі. Тоді цей коефіцієнт знаходиться за формулою
Прімер.Кінематіческая в'язкість річного дизельного палива при температурі +20 0 С дорівнює 5 сСт, а при температурі 0 0 С вона збільшується до 8 сСт. Яка в'язкість того ж дизельного палива при температурі + 10 0 С?
Рішення . За формулою (2.7) розраховуємо коефіцієнт. . За формулою (2.6) знаходимо шукану в'язкість: сСт.
Якщо сили тертя між шарами рідини багато менше нормальних (здавлюють) сил, то вводять модель так званої ідеальної рідини. У цій моделі вважається, що дотичні сили тертя між частками, розділеними майданчиком, відсутні і при перебігу рідини, а не тільки в стані спокою (див. В п. 1.9 визначення рідини). Така схематизація рідини виявляється досить корисною в тих випадках, коли дотичні складові сил взаємодії (сили тертя) багато менше їх нормальні складові (сил тиску). В інших же випадках, коли сили тертя можна порівняти з силами тиску або навіть перевершують їх, модель ідеальної рідини виявляється непридатною.
Оскільки в ідеальній рідині існують тільки нормальні напруги, то вектор напруги на будь-якому майданчику з нормаллю перпендикулярний цьому майданчику. Повторюючи побудови п.1.9, можна зробити висновок, що в ідеальній рідині всі нормальні напруження дорівнюють за величиною і негативні (). Отже, в ідеальній рідині існує параметр. званий тиском. . а матриця напруг має вигляд: