1 ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ РІДИНИ

1.1 Визначення рідини. Фізичні властивості рідини

Рідиною називається фізичне тіло, яке сильно опирається зміні свого об’єму (в протилежність газам) та слабко опирається зміні своєї форми (в протилежність твердим тілам).
Рух рідин і газів під дією зовнішніх і внутрішніх сил супроводжується зміною форми, а в загальному випадку – і об’єму виділеної її частини.
В гідрогазодинаміці звичайно абстрагуються від молекулярної структури потоків, що досліджуються, і розглядають умовну модель середовища, яка володіє безперервним розподілом всіх характеристик (параметрів). Гіпотеза неперервності (суцільності) об’єднує рідини і гази в єдину категорію текучих, легко деформуємих середовищ. Разом з тим між рідинами і газами існує принципова різниця.
В рідинах сили міжмолекулярного зчеплення більш значимі у порівнянні з газами, тому що відстані між молекулами малі. По цій причині рідини можна вважати слабкостисливими середовищами або, спрощено, нестисливими.
Ефекти стисливості інтенсивно проявляються при русі газів в каналах з великими швидкостями і при обтіканні тіл різної форми потоком великої швидкості. При невеликих швидкостях і відсутності теплообміну стисливість газів проявляється слабко. Разом з тим стисливість крапельних рідин також проявляється при великих тисках. Отже, стисливість властива всім рідинам і газам, однак її кількісний прояв різний в залежності від фізичних властивостей середовища.
Це стало підґрунтям об’єднати суцільні середовища, які мають загальні властивості суцільності і легкої рухомості, під загальною назвою рідини, виділяючи по мірі необхідності практично нестисливі (крапельні) і стисливі (газоподібні) рідини.
Всі рідини, коли рухаються, мають внутрішнє тертя, яке обумовлене в’язкими властивостями середовища. Вплив в’язкості на характер течії рідини неоднозначний. В деяких випадках відіграє вирішальну роль і визначає рух середовища. В інших випадках її вплив проявляється слабко і уявлення про характер течії можна одержати без врахування в’язких сил. Нехтування в’язкими силами суттєво спрощує аналітичне дослідження. Замість реальної рідини  виявляється доцільним розглядати модель ідеальної рідини.
Ідеальна рідина – це абстрактна рідина без внутрішніх сил тертя. Вказану модель слід розглядати як перше, але важливе, наближення до реальної моделі течії. При вивченні в’язких властивостей виявляється також різниця між крапельною і стисливою рідиною, яка обумовлена молекулярною структурою : в’язкість нестисливої рідини з ростом температури зменшується, а в’язкість газів зростає.
Крапельна рідина приймає форму посудини і утворює поверхню вільного рівня, яка відокремлює її від других рідин або газів з іншими фізичними властивостями. На такій поверхні особливо інтенсивно проявляється дія молекулярних сил зчеплення, що призводить до появи сил капілярності, змочуваності твердих поверхонь і до виникнення крапель і менісків.
Густиною рідини r називається її маса, яка міститься в одиниці об’єму,
                                             (1.1)
де М – маса рідини (кг) в об’ємі
Густина прісної води при температурі
Питомою вагою однорідної рідини називається вага G одиниці об’єму цієї рідини
                                             (1.2)
Питома вага прісної води при температурі
Між густиною і питомою вагою існує взаємозв’язок
                                              (1.3)
Стисливість крапельних рідин під дією тиску характеризується коефіцієнтом об’ємного тиску bW , який являє собою відносну зміну об’єму рідини на одиницю зміни тиску,
                                        (1.4)
де W – початковий об’єм рідини,
– зміна цього об’єму при збільшенні тиску на величину .
Температурне розширення крапельних рідин характеризується коефіцієнтом температурного розширення , °С –1  або К–1 , який виражає відносну зміну об’єму рідини при зміні температури на 1°С (1 К)
                                          (1.5)
де – зміна об’єму, яка відповідає зміні температури на величину
Властивість рідин змінювати густину (питому вагу) при зміні температури широко використовується для створення природної циркуляції в котлах, опалювальних системах, для видалення продуктів спалювання тощо. На відміну від крапельних рідин гази характеризуються значною стисливістю і температурним розширенням. Залежність густини газів від тиску і температури встановлюється рівнянням стану.
         

Рисунок 1.1 – Розподіл швидкості поблизу поверхні, що обтікається рідиною

   В’язкість рідини. Всі реальні рідини мають певну в’язкість, яка проявляється у вигляді внутрішнього тертя при відносному переміщенні суміжних частинок рідини. В’язкість рідини – це її властивість чинити опір відносному зрушенню частинок.
Розглянемо частковий випадок плоского руху в’язкої рідини коло твердої поверхні АВ (рис. 1.1).
При відсутності в’язкості всі частинки рідини, які розташовані на нормалі до поверхні, що розглядається, мали б одну і ту ж швидкість.
В реальній в’язкій рідині згідно гіпотези “прилипання” швидкість частинок рідини на поверхні АВ дорівнює 0. В’язкі сили, які діють в рідині, призводять до її гальмування коло пластини. Має місце плавне наростання  швидкості по нормалі від 0 на стінці до сталої швидкості   на значному віддалені від неї. В результаті профіль швидкості в фіксованому перерізі приймає вигляд, зображений на рис. 1.1. Нехай швидкість u  не залежить від повздовжньої координати  х  і змінюється лише по нормалі у до поверхні. Згідно закону Ньютона сила тертя між шарами рідини дорівнює, Н

                                   (1.6)
де – площа, на якій діє сила тертя, ;

 – швидкість відносної кутової деформації (в даному випадку)
m – коефіцієнт пропорційності, який називають динамічною в’язкістю, Па?с.
Дотичне напруження, Па
                                          (1.7)
Динамічна в’язкість залежить від фізичних властивостей рідини і її температури.
Кінематична в’язкість,
                                              (1.8)
Поверхневий натяг рідини, який зумовлений силами взаємодії молекул поверхневого шару рідини між собою і молекулами газу, намагається скоротити вільну поверхню рідини. Внаслідок цього рідина, що має криволінійну поверхню, зазнає додаткового зусилля, яке збільшує або зменшує тиск в рідині на величину, Па
                                     (1.9)
де s  – поверхневий натяг, Н/м ;
r1 , r2 – головні радіуси кривизни елементу поверхні, що розглядається, м.
Тиск при випуклій поверхні рідини збільшується, а при вогнутій – зменшується.       Поверхневий натяг для води, яка стикається з повітрям, при температурі 20 °С  s = 0,026 Н/м. В кульці рідини радіусом  r  (r = r1 = r2) оточеній газом (парою) згідно залежності (1.9)
,                                         (1.10)
Особливо сильно поверхневий натяг проявляється в трубах малого діаметру (капілярних), для яких формула (1.9) приймає вигляд
                            (1.11)
де r –  радіус трубки, м ;
hпов – висота капілярного підйому, м.