Коефіцієнт теплового розширення олії. Температурне розширення рідини

Міцність рідини на розрив під час вирішення практичних завданьне враховується. Температурне розширення краплинних рідин характеризується коефіцієнтом температурного розширення t, що виражає відносне збільшення об'єму рідини при збільшенні температури на 1 град, тобто:

Де W - Початковий обсяг рідини; Δ W - Зміна цього обсягу при підвищенні температури на величину ΔТ . Коефіцієнт температурного розширення краплинних рідин, як видно з табл. 5, незначний.

Таблиця 5

Значення коефіцієнта (10) знаходяться з таблиць в межах заданого інтервалу температур (див., наприклад, табл. 5). Здатність рідин змінювати щільність (питому вагу) при зміні температури широко використовується створення природної циркуляції в котлах, опалювальних системах, видалення продуктів згоряння тощо. буд. B табл. 6 наведено значення щільності води при різних температурах.

Таблиця 6

(11)

Де р - Абсолютний тиск; R - Питома газова постійна, різна для різних газів, але не залежить від температури і тиску [для повітря R = 287 Дж / (кг К)] ; Т - абсолютна температура. Поведінка реальних газів в умовах, далеких від зрідження, лише трохи відрізняється від поведінки досконалих газів, і для них у широких межах можна користуватися рівняннями стану досконалих газів. У технічних розрахунках щільність газу зазвичай призводять до нормальним фізичним умовам(t=0°; р=101325 Па) або до стандартнимумовам (t = 20 ° С; р = 101325 Па). Щільність повітря при R=287 Дж/(кг∙К) у стандартних умовах за формулою (11) дорівнюватиме ρ 0 =101325/287/(273+20)=1.2 кг/м 3 . Щільність повітря за інших умов визначається за формулою:

(12)

На рис. 1 наведені певні за цією формулою графіки залежності щільності повітря від температури при різних тисках.

Рис. 1 Залежність щільності повітря від барометричного тиску та температури

Для ізотермічного процесу(T=const) з формули (12) маємо:

(13)

(14)

Де k= з p / с ν - адіабатична постійна газу; з p - теплоємність газу при постійному тиску; з ν - те ж, при постійному обсязі. Стискання газів залежить від характеру процесу зміни стану. Для ізотермічного процесу:

(15)

Для адіабатичного процесу:

З виразу (15) випливає, що ізотермічна стисливість для атмосферного повітрястановить ~9,8∙10 4 Па (близько 1 ат), що у 20 тис. разів перевищує стисливість води. Оскільки обсяг газу великою мірою залежить від температури і тиску, висновки, отримані щодо краплинних рідин, можна поширювати на гази лише тому випадку, якщо межах аналізованого явища зміни тиску і температури незначні. Значні різниці тисків, що викликають суттєву зміну щільності газів, можуть виникнути при їх русі з великими швидкостями. Співвідношення між швидкістю руху рідини та швидкістю звуку в ній дозволяє судити про необхідність урахування стисливості в кожному конкретному випадку. Практично газ можна приймати несжимаемим при швидкостях руху, що не перевищують 100 м/с. В'язкість рідин.В'язкістю називається властивість рідин чинити опір зсуву. всі реальні рідинимають певну в'язкість, яка проявляється у вигляді внутрішнього тертя при відносному переміщенні суміжних частинок рідини. Поруч із легко рухомими рідинами (наприклад, водою, повітрям) існують дуже в'язкі рідини, опір яких зсуву дуже значно (гліцерин, важкі олії та інших.). Таким чином, в'язкість характеризує ступінь плинності рідини чи рухливості її частинок. Нехай рідина тече вздовж плоскої стінки паралельними їй шарами (рис. 2), як це спостерігається при ламінарному русі. Внаслідок гальмівного впливу стінки шари рідини будуть рухатися різними швидкостями, значення яких зростають у міру віддалення від стінки.

Рис. 2 Розподіл швидкостей при перебігу рідини вздовж твердої стінки

Розглянемо два шари рідини, що рухаються на відстані Δу один від одного. Шар A рухається зі швидкістю u , a шар У - зі швидкістю u + Δu . Внаслідок різниці швидкостей за одиницю часу шар У зсувається щодо шару А на величину Δ u . Величина Δ u є абсолютним зрушенням шару A по шару, а Δ u /Δ y є градієнт швидкості (відносне зрушення). Дотичне напруження (сила тертя на одиницю площі), що з'являється при цьому, позначимо через . Тоді аналогічно явищу зсуву у твердих тілах ми отримаємо наступну залежність між напругою та деформацією:

(17)

Або, якщо шари будуть нескінченно близько один до одного,

(18)

Величина µ , аналогічна коефіцієнту зсуву в твердих тілах і характеризує опірність рідини зсуву, називається динамічноїабо абсолютної в'язкістю. На існування співвідношення (18) перша вказівка ​​є у Ньютона, і тому називається законом тертя Ньютона. У міжнародній системі одиниць динамічна в'язкість виявляється у H∙с/м 2 чи Па∙c. У технічної системиодиниць динамічна в'язкість має розмірність кгс∙с∙м -2. В системі CGS за одиницю динамічної в'язкості приймається пуаз (П) на згадку про французького лікаря Пуазейля, який досліджував закони руху крові в судинах людського тіла, рівний 1 г∙см -1 ∙с -1; 1 Па∙с=0,102 кгс∙с/м 2 =10 П. В'язкість рідин у сильного ступенязалежить від температури; при цьому в'язкість краплинних рідин при збільшенні температури зменшується, в'язкість газів зростає. Це тим, що природа в'язкості краплинних рідин і газів різна. B газах Середня швидкість(інтенсивність) теплового рухумолекул з підвищенням температури зростає, отже, зростає в'язкість. У краплинних рідинах молекули не можуть рухатися, як у газі, по всіх напрямках, вони можуть лише коливатися біля свого середнього становища. З підвищенням температури середні швидкості коливальних рухівмолекул збільшуються, завдяки чому легше долаються утримують їх зв'язки, і рідина набуває більшої рухливості (її в'язкість зменшується). Так, для чистої прісної водизалежність динамічної в'язкості від температури визначається за формулою Пуазейля:

(19)

Де µ - абсолютна (динамічна) в'язкість рідини П; t - температура в ° С. Зі збільшенням температури від 0 до 100 ° С в'язкість води зменшується майже в 7 разів (див. табл. 6). При температурі 20°C динамічна в'язкість води дорівнює 0,001 Па∙с=0,01 П. Вода належить до найменш в'язких рідин. Лише небагато з практично використовуваних рідин (наприклад, ефір і спирт) мають трохи меншу в'язкість, ніж вода. Найменшу в'язкість має рідка вуглекислота (у 50 разів менша за в'язкість води). Всі рідкі олії мають значно більшу в'язкість, ніж вода (касторове масло при температурі 20 ° С має в'язкість в 1000 разів більшу, ніж вода при тій же температурі). B табл. 1.7 наведено значення в'язкості деяких рідин.

Таблиця 7

Що дає при t=15° С =1,82∙10 -6 кгс∙с/м 2 (~1,82∙10 -5 Па∙с). Динамічна в'язкість інших газів має приблизно той самий порядок величини. Поряд із поняттям абсолютної або динамічної в'язкості в гідравліці знаходить застосування поняття кінематичної в'язкості; представляє собою відношення абсолютної в'язкості до щільності рідини:

(21)

Ця в'язкість названа кінематичної, оскільки у її розмірності відсутні одиниці сили. B дійсно, підставивши розмірність µ і ρ , Отримаємо [ v]=[L 2 /Т]. B міжнародній системі одиниць кінематична в'язкість вимірюється м2 /с; одиницею для вимірювання кінематичної в'язкості у системі CGS служить стокc (на честь англійського фізика Стокса): 1 Ст=1 см 2 /с=10 -4 м 2 /с. Сота частина стоксу називається сантистоксом (сСт): 1 м 2 /с = 1∙10 4 Ст=1∙10 6 cCт. У табл. 7 наведено чисельні значення кінематичної в'язкості краплинних рідин, на рис. 3 - залежність кінематичної в'язкості води та індустріальної олії від температури. Для попередніх підрахунків величину кінематичної в'язкості води v можна прийняти рівною 0,01 см 2 /с=1.10 -6 м 2 /с, що відповідає температурі 20 ° C.

Рис. 3 Залежність кінематичної в'язкості води та олії від температури

Кінематична в'язкість краплинних рідин при тисках, що зустрічаються в більшості випадків на практиці (до 200 ат), дуже мало залежить від тиску, і цією зміною у звичайних гідравлічних розрахунках нехтують. Кінематична в'язкість газів залежить як від температури, так і від тиску, зростаючи зі збільшенням температури та зменшуючись зі збільшенням тиску (табл. 8). Кінематична в'язкість повітря для нормальних умов(температура 20 ° С, тиск ~1ат) v= µ/ ρ =1,57∙10 -5 м 2 /сек, тобто. приблизно в 15 разів більше, ніж для води при тій же температурі. Це тим, що у знаменник вирази для кінематичної в'язкості (21) входить щільність, що у газів значно менше, ніж у краплинних рідин. Для обчислення кінематичної в'язкості повітря за різних температур і тисків можна користуватися графіком (рис. 4).

Таблиця 1.8

Температурне розширення рідини полягає в тому, що вона може змінювати свій об'єм при зміні температури. Ця властивість характеризується т емпературним коефіцієнтом об'ємного розширення , Що представляє відносну зміну об'єму рідини при зміні температури на одиницю (на 1 про C) і при постійному тиску:

За аналогією із властивістю стисливості рідини можна записати

або через щільність

Зміна об'єму за зміни температури відбувається рахунок зміни щільності.

Для більшості рідин коефіцієнт  t із збільшенням тиску зменшується. Коефіцієнт  t зі зменшенням щільності нафтопродуктів від 920 до 700 кг/м 3 збільшується від 0,0006 до 0,0008 ; для робочих рідин гідросистем  t зазвичай приймають незалежно від температури. Для цих рідин збільшення тиску від атмосферного до 60 МПа призводить до зростання  t приблизно на 10 – 20 % . При цьому чим вище температура робочої рідини, тим більше збільшення  t . Для води зі збільшенням тиску при температурі до 50 о C  t зростає, а при температурі вище 50 о C зменшується.

Розчинення газів

Розчинення газів - здатність рідини поглинати (розчиняти) гази, що перебувають у дотику до неї. Всі рідини тією чи іншою мірою поглинають і розчиняють гази. Ця властивість характеризується коефіцієнтом розчинності k р .

Е якщо в закритій посудині рідина знаходиться в контакті з газом при тиску P 1 то газ почне розчинятися в рідині. Через деякий час

станеться насичення рідини газом і тиск у посудині зміниться. Коефіцієнт розчинності пов'язує зміну тиску в посудині з об'ємом розчиненого газу та об'ємом рідини наступним співвідношенням

де V Г - Об'єм розчиненого газу за нормальних умов,

V ж - Об'єм рідини,

P 1 і P 2 - Початковий і кінцевий тиск газу.

Коефіцієнт розчинності залежить від типу рідини, газу та температури.

При температурі 20 ºС і атмосферному тискуу воді міститься близько 1,6% розчиненого повітря за обсягом ( k p = 0,016 ). Зі збільшенням температури від 0 до 30 ºС коефіцієнт розчинності повітря у воді зменшується. Коефіцієнт розчинності повітря в оліях при температурі 20 ºС дорівнює приблизно 0,08 – 0,1 . Кисень відрізняється більш високою розчинністю, ніж повітря, тому вміст кисню в повітрі, розчиненому в рідині, приблизно на 50% вище, ніж у атмосферному. При зменшенні тиску газ із рідини виділяється. Процес виділення газу протікає інтенсивніше, ніж розчинення.

Кипіння

Кипіння – здатність рідини переходити до газоподібного стану. Інакше цю властивість рідин називають випаровуваністю .

Рідина можна довести до кипіння підвищенням температури до значень, більших температурикипіння при даному тиску, або зниженням тиску до значень, менших за тиск насиченої пари p нп рідини при цій температурі. Утворення бульбашок при зниженні тиску до тиску насиченої пари називається холодним кипінням.

Рідина, з якої видалено розчинений у ній газ, називається дегазованою. У такій рідині кипіння не виникає і при температурі більшої температури кипіння при даному тиску.

Подібно до температурного коефіцієнта лінійного розширенняможна ввести та застосовувати температурний коефіцієнтоб'ємного розширення, що є характеристикою зміни об'єму тіла за зміни його температури. Емпірично встановлено, що збільшення обсягу в цьому випадку можна вважати пропорційним зміні температури, якщо вона змінюється не дуже велику величину. Коефіцієнт об'ємного розширення може бути позначений по-різному, немає жодного позначення. Часто зустрічається позначення:

ВИЗНАЧЕННЯ

Позначимо об'єм тіла при початковій температурі (t) як V, об'єм тіла при кінцевій температурі , як , об'єм тіла при температурі , як , тоді коефіцієнт об'ємного розширеннявизначимо у вигляді формули:

Тверді тіла та рідини збільшують свій об'єм зі збільшенням температури незначно, отже, так званий «нормальний об'єм» () при температурі несуттєво відрізняється від об'єму за іншої температури. Тому у виразі (1) замінюють на V, при цьому виходить:

Слід зауважити, що для газів теплове розширення інше та заміна «нормального» обсягу на V можливе лише для малих інтервалів температур.

Коефіцієнт об'ємного розширення та об'єм тіла

Використовуючи коефіцієнт об'ємного розширення можна записати формулу, яка дозволяє розрахувати об'єм тіла, якщо відомі початковий об'єм та збільшення температури:

де. Вираз () називають біномом об'ємного розширення.

Теплове розширення твердого тілапов'язують з ангармонічністю теплових коливань частинок, що становлять кристалічні ґратитіла. В результаті даних коливань зі збільшенням температури тіла збільшується рівноважна відстань між сусідніми частинками цього тіла.

Коефіцієнт об'ємного розширення та щільність речовини

Якщо при незмінній масі відбувається зміна об'єму тіла, це призводить до зміни щільності його речовини:

де - початкова щільність, - щільність речовини при новій температурі. Так як величина то вираз (4) іноді записують як:

Формули (3)-(5) можна використовувати при нагріванні тіла та при його охолодженні.

Зв'язок об'ємного та лінійного коефіцієнтів теплового розширення

Одиниці виміру

Основною одиницею вимірювання коефіцієнта температурного розширення у системі СІ є:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Який тиск показує ртутний барометр, який знаходиться в кімнаті, якщо температура в приміщенні постійна і дорівнює t = 37 o С. Коефіцієнт об'ємного розширення ртуті дорівнює Розширення скла можна знехтувати.
Рішення	Фактичним обсягом ртуті в барометрі буде величина V, яку можна знайти відповідно до виразу: де - обсяг ртуті при нормальному атмосферному тиску та температурі. Так температура в кімнаті не змінюється, то можна використовувати закон Бойля - Маріотта і записати, що: Проїдемо обчислення:
Відповідь	Па

ПРИКЛАД 2