คุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของของเหลวและก๊าซ พารามิเตอร์ที่กำหนดคุณสมบัติของของเหลวและก๊าซ แรงที่กระทำต่อของไหล ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง มีคุณสมบัติอะไรเหมือนกันกับของเหลวทุกชนิด

ในกลศาสตร์ของไหล เป็นเรื่องปกติที่จะรวมของเหลว ก๊าซ และไอระเหยไว้ภายใต้ชื่อเดียว นั่นคือ ของเหลว นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่ากฎการเคลื่อนที่ของของเหลวและก๊าซ (ไอ) จะเท่ากันหากความเร็วของมันต่ำกว่าความเร็วของเสียงอย่างมาก ของเหลวคือสารทั้งหมดที่มีความลื่นไหลเมื่อมีการใช้แรงเฉือนเพียงเล็กน้อย

เมื่อได้รับกฎพื้นฐานในกลศาสตร์ของไหล แนวคิดของของไหลในอุดมคติก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน ซึ่งแตกต่างจากของจริง (หนืด) ที่ไม่สามารถบีบอัดได้อย่างแน่นอนภายใต้อิทธิพลของความดัน ไม่เปลี่ยนความหนาแน่นเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง และไม่มี ความหนืด

มวลของของเหลวที่บรรจุอยู่ในปริมาตรหนึ่งหน่วย วี, แสดงถึง ความหนาแน่นร่างกาย

ส่วนกลับของความหนาแน่นและแทนปริมาตรที่ครอบครองโดยหน่วยมวลเรียกว่า ปริมาณเฉพาะ:

.

เรียกว่าน้ำหนักของของเหลวหนึ่งหน่วยปริมาตร ความถ่วงจำเพาะ:

ความถ่วงจำเพาะของของเหลวและความหนาแน่นมีความสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์

ความหนาแน่น ปริมาตรจำเพาะ และ ความถ่วงจำเพาะเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของของเหลว

ของเหลวจริงแบ่งออกเป็นหยดและยืดหยุ่น หยดของเหลวไม่สามารถอัดตัวได้และมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรต่ำ ปริมาณ ยืดหยุ่นของเหลวเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดัน (ก๊าซ ไอระเหย) ในปัญหาทางเทคนิคส่วนใหญ่ ก๊าซจะถือว่าเป็นก๊าซในอุดมคติ สถานะของก๊าซในอุดมคติอธิบายได้ด้วยสมการคลาเปรอง-เมนเดเลเยฟ

,

โดยที่ค่าคงที่ก๊าซสากลเท่ากับ 8314 J/(kmol K)

สมการนี้สามารถเขียนเพื่อคำนวณความหนาแน่นของก๊าซได้

ในปัญหาหลายประการจำเป็นต้องคำนึงถึงสถานะของของเหลวด้วย สำหรับกระบวนการไอเซนโทรปิกในของเหลว สามารถใช้สมการทีต้าได้

,

แรงกดดันของปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลอยู่ที่ไหน n– ค่าสัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของของเหลว สำหรับน้ำ » 3.2×108 Pa, n» 7.15.

สารสามารถมีได้สามชนิด ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดัน สถานะของการรวมตัว: ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ใน ของแข็งโมเลกุลเชื่อมต่อกัน จัดเรียงตามลำดับที่แน่นอน และทำการเคลื่อนไหวแบบสั่นสะเทือนด้วยความร้อนเท่านั้น ความน่าจะเป็นที่จะออกจากสถานที่ซึ่งโมเลกุล (อะตอม) ครอบครองนั้นมีน้อย ดังนั้นของแข็งจึงคงรูปร่างและปริมาตรตามที่กำหนด

ในของเหลว การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลจะสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โมเลกุลบางตัวได้รับพลังงานกระตุ้นที่เพียงพอและออกจากตำแหน่งไป ดังนั้นในของเหลว โมเลกุลจะเคลื่อนที่ตลอดปริมาตรทั้งหมด แต่พลังงานจลน์ของพวกมันยังคงไม่เพียงพอที่จะออกจากของเหลว ในเรื่องนี้ของเหลวจะคงปริมาตรไว้

ในก๊าซ การเคลื่อนที่ของความร้อนจะยิ่งใหญ่กว่า ดังนั้นโมเลกุลจะถูกกำจัดออกไปจนปฏิกิริยาระหว่างพวกมันไม่เพียงพอที่จะรักษาพวกมันไว้ในระยะห่างที่แน่นอน เช่น ก๊าซมีความสามารถในการขยายตัวได้อย่างไม่มีกำหนด

การผสมโมเลกุลในของเหลวและก๊าซอย่างอิสระนำไปสู่ความจริงที่ว่าพวกมันเปลี่ยนรูปร่างเมื่อใช้แรงเล็กน้อยตามอำเภอใจ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ความลื่นไหล- ของเหลวและก๊าซมีรูปทรงเหมือนภาชนะที่บรรจุอยู่

อันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่อย่างวุ่นวายของโมเลกุลในก๊าซทำให้เกิดการชนกัน กระบวนการชนกันของโมเลกุลนั้นมีลักษณะเฉพาะคือเส้นผ่านศูนย์กลางที่มีประสิทธิภาพของโมเลกุล ซึ่งหมายถึงระยะห่างขั้นต่ำระหว่างศูนย์กลางของโมเลกุลเมื่อพวกมันเข้าใกล้กัน ระยะทางที่โมเลกุลเคลื่อนที่ระหว่างการชนเรียกว่าเส้นทางอิสระของโมเลกุล

อันเป็นผลมาจากการถ่ายโอนโมเมนตัมระหว่างการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลที่เคลื่อนที่ในชั้นต่างๆ ด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน แรงสัมผัสที่เกิดขึ้นระหว่างชั้นเหล่านี้จึงเกิดขึ้น คุณสมบัติของของเหลวหรือก๊าซในการต้านทานแรงเฉือนเรียกว่า ความหนืด.

ให้เราวางจานที่ 1 ลงในอาหารเหลวที่ระยะห่างจากผนัง (รูปที่ 2.1)

ปล่อยให้แผ่นเคลื่อนที่สัมพันธ์กับผนัง 2 ด้วยความเร็ว ว.เนื่องจากของเหลวจะถูกกักไว้โดยแผ่น การไหลของของเหลวทีละชั้นจะถูกสร้างขึ้นในช่องว่างด้วยความเร็วที่แตกต่างกันตั้งแต่ 0 ถึง ว- ให้เราเลือกชั้นความหนาในของเหลว ดี้- แน่นอนว่าความเร็วของพื้นผิวด้านล่างและด้านบนของชั้นจะมีความหนาต่างกัน dw- ผลจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน โมเลกุลจะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องจากชั้นล่างไปยังชั้นบนและด้านหลัง เนื่องจากความเร็วต่างกัน โมเมนตัมจึงต่างกันด้วย แต่การย้ายจากชั้นหนึ่งไปอีกชั้นหนึ่ง พวกมันจะต้องรับปริมาณลักษณะการเคลื่อนที่ของชั้นที่กำหนด กล่าวคือ จะมีการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมอย่างต่อเนื่องซึ่งจะส่งผลให้เกิดแรงสัมผัสระหว่างชั้นต่างๆ

ให้เราแสดงโดย ดีทีแรงสัมผัสที่กระทำต่อพื้นผิวของชั้นหนึ่งกับพื้นที่ ดีเอฟแล้ว

ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าแรงในวงสัมผัส ตซึ่งต้องใช้กับการเปลี่ยนแปลง ยิ่งการไล่ระดับความเร็วยิ่งมากขึ้น ซึ่งจะแสดงลักษณะการเปลี่ยนแปลงของความเร็วต่อหน่วยระยะทางตามแนวปกติระหว่างชั้นต่างๆ อีกทั้งความแข็งแกร่ง ตเป็นสัดส่วนกับพื้นที่สัมผัส เอฟชั้นเช่น

ในรูปแบบนี้สมการจะแสดงออก กฎแรงเสียดทานภายในของนิวตันตามนั้น ความเค้นเสียดสีภายในที่เกิดขึ้นระหว่างชั้นของของเหลวขณะไหลจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการไล่ระดับความเร็ว

เครื่องหมายลบทางด้านขวาของสมการบ่งชี้ว่าความเค้นเฉือนทำให้ชั้นเคลื่อนที่ช้าลงด้วยความเร็วที่ค่อนข้างสูง

เรียกว่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนในสมการข้างต้น ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิก.

มิติ SI ของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิกสามารถแสดงเป็น

ความหนืดของของเหลวสามารถระบุได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดจลนศาสตร์

ความหนืดของของเหลวหยดจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่ความหนืดของก๊าซจะเพิ่มขึ้น ที่ความดันปานกลาง ความหนืดของก๊าซไม่ได้ขึ้นอยู่กับความดัน แต่เมื่อเริ่มจากความดันหนึ่ง ความหนืดจะเพิ่มขึ้นตามที่เพิ่มขึ้น

สาเหตุของการขึ้นต่ออุณหภูมิที่แตกต่างกันสำหรับก๊าซและของเหลวก็คือ ความหนืดของก๊าซมีลักษณะเป็นโมเลกุล-จลน์ ในขณะที่ความหนืดของของเหลวแบบหยดขึ้นอยู่กับแรงยึดเกาะระหว่างโมเลกุล

ในกระบวนการต่างๆ มากมาย เทคโนโลยีเคมีขณะที่ของเหลวหยดเคลื่อนที่ ของเหลวนั้นจะสัมผัสกับก๊าซ (หรือไอน้ำ) หรือของเหลวหยดอื่นซึ่งแทบจะผสมไม่ได้กับของเหลวชนิดแรก

ปฏิกิริยาระหว่างแรงระหว่างโมเลกุลที่อยู่บนพื้นผิวของของเหลวกับโมเลกุลที่อยู่ห่างจากของเหลวนั้นไม่เท่ากัน โมเลกุลที่อยู่บนพื้นผิวอยู่ในสถานะแรงสมมาตร ส่วนบนของสนามแรงจะถูกบังคับให้โต้ตอบกับโมเลกุลที่อยู่ใต้พื้นผิว เป็นผลให้พลังงานการจับยึดที่อาจเกิดขึ้นในชั้นผิวเพิ่มขึ้น และชั้นเองก็อยู่ในสภาวะเครียดมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า แรงตึงผิว.

พลังงานยึดเหนี่ยวที่อาจเกิดขึ้นในชั้นผิว

ที่ไหน ส –ค่าสัมประสิทธิ์แรงตึงผิว ดีเอฟ– คือพื้นผิวของของเหลวที่มีความเป็นระเบียบ ดล2.

ของเหลว:

ของเหลวต่างจากของแข็งตรงที่มีลักษณะการเกาะกันต่ำระหว่างอนุภาค ซึ่งส่งผลให้ของเหลวมีความลื่นไหลและเปลี่ยนรูปร่างของภาชนะที่วางไว้

ของเหลวแบ่งออกเป็นสองประเภท: หยดและก๊าซ ของเหลวหยดมีความต้านทานแรงอัดสูง (แทบไม่อัดตัวได้) และมีความต้านทานต่ำต่อแรงสัมผัสและแรงดึง (เนื่องจากการยึดเกาะของอนุภาคไม่มีนัยสำคัญและแรงเสียดทานระหว่างอนุภาคต่ำ) ของเหลวที่เป็นก๊าซมีลักษณะเฉพาะคือไม่มีความต้านทานต่อการบีบอัดเกือบทั้งหมด ของเหลวที่เป็นหยดประกอบด้วยน้ำ น้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด น้ำมัน ปรอท และอื่นๆ และของเหลวที่เป็นก๊าซรวมถึงก๊าซทั้งหมด

ชลศาสตร์ศึกษาของเหลวหยด เมื่อแก้ไขปัญหาเชิงปฏิบัติในระบบชลศาสตร์ มักใช้แนวคิดของของไหลในอุดมคติซึ่งเป็นตัวกลางที่ไม่สามารถอัดตัวได้ซึ่งไม่มีแรงเสียดทานภายในระหว่างอนุภาคแต่ละตัว

คุณสมบัติทางกายภาพหลักของของเหลว ได้แก่ ความหนาแน่น ความดัน ความสามารถในการอัด การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และความหนืด

ความหนาแน่นคืออัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรที่มวลนั้นครอบครอง ความหนาแน่นวัดเป็นหน่วย SI เป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3) ความหนาแน่นของน้ำคือ 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

ตัวชี้วัดแบบรวมยังใช้: – กิโลปาสกาล - 1 kPa = 103 Pa; – เมกะปาสกาล - 1 MPa = 106 Pa

ความสามารถในการอัดของของเหลวคือความสามารถในการเปลี่ยนปริมาตรเมื่อความดันเปลี่ยนแปลง คุณสมบัตินี้มีเอกลักษณ์เฉพาะด้วยค่าสัมประสิทธิ์ของการบีบอัดปริมาตรหรือความสามารถในการอัด ซึ่งแสดงถึงการลดลงสัมพัทธ์ของปริมาตรของของเหลวเมื่อความดันเพิ่มขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ สำหรับการคำนวณในด้านระบบไฮดรอลิกส์ในการก่อสร้าง น้ำถือว่าไม่สามารถอัดตัวได้ ในเรื่องนี้เมื่อแก้ไขปัญหาในทางปฏิบัติมักจะมองข้ามความสามารถในการอัดของของเหลว

ส่วนกลับของอัตราส่วนการบีบอัดเชิงปริมาตรเรียกว่าโมดูลัสยืดหยุ่น โมดูลัสของความยืดหยุ่นวัดเป็นปาสคาล

การขยายตัวทางความร้อนของของเหลวเมื่อได้รับความร้อนนั้นมีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนซึ่งแสดงการเพิ่มขึ้นสัมพัทธ์ของปริมาตรของของเหลวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 1 C

ปริมาตรของน้ำจะลดลงเมื่อได้รับความร้อนจาก 0 ถึง 4 °C ซึ่งแตกต่างจากวัตถุอื่นๆ ที่อุณหภูมิ 4 °C น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดและความถ่วงจำเพาะสูงสุด เมื่อให้ความร้อนเพิ่มขึ้น ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในการคำนวณโครงสร้างหลายอย่าง ที่มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของอุณหภูมิและความดันของน้ำ การเปลี่ยนแปลงของค่าสัมประสิทธิ์นี้สามารถละเลยได้

ความหนืดของของเหลวคือความสามารถในการต้านทานการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ (แรงเฉือน) ของอนุภาคของเหลว แรงที่เกิดจากการเลื่อนของชั้นของเหลวเรียกว่าแรงเสียดทานภายในหรือแรงหนืด

แรงความหนืดปรากฏออกมาในระหว่างการเคลื่อนที่ของของไหลจริง หากของเหลวอยู่นิ่งก็สามารถใช้ความหนืดได้เท่ากับศูนย์ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนืดของของเหลวจะลดลงอย่างรวดเร็ว คงที่เกือบคงที่ตามการเปลี่ยนแปลงของความกดดัน

กาซอฟ:

คุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซ เช่นเดียวกับสสารใดๆ เริ่มต้นด้วยคำจำกัดความที่เกี่ยวข้องกับมวลและพลังงานของมัน ดังนั้นความหนาแน่นของก๊าซในแง่หนึ่งจึงถูกกำหนดอย่างเท่าเทียมกันดังนี้: หากทราบค่าสุดท้ายของขนาดมวลและปริมาตรดังนั้นสำหรับปริมาตรที่น้อยที่สุดของสารค่าจำกัดของความหนาแน่นจะเท่ากับ เมื่อคำนวณ อัตราการไหลของก๊าซเชิงพาณิชย์ ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของก๊าซที่ใช้ เช่น อัตราส่วน r - ความหนาแน่นของก๊าซต่อความหนาแน่นของอากาศแห้ง - ra ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของก๊าซในอากาศเท่ากับ ความหนาแน่นของก๊าซที่อุณหภูมิ 0°C และความดันบรรยากาศสามารถกำหนดได้จากมวลโมลาร์ของมัน - เราคำนวณความหนาแน่นใหม่สำหรับพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ ของก๊าซโดยใช้สูตร ความหนาแน่นของส่วนผสมก๊าซถูกกำหนดโดยกฎของการผสม (สารเติมแต่ง) ai - ความเข้มข้นเชิงปริมาตรของส่วนประกอบก๊าซในส่วนผสม (0 ai 1) - ความหนาแน่นของส่วนประกอบของส่วนผสม ปริมาตรก๊าซเฉพาะคำนวณได้ดังนี้ ค่าเฉลี่ย มวลฟันกราม ส่วนผสมมีค่าเท่ากัน ในการคำนวณทางความร้อน ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่เกิดขึ้น จะใช้แนวคิดเรื่องความจุความร้อนของสาร - ที่ความดันคงที่ cp และที่ปริมาตรคงที่ cv ซึ่งเรียกว่าอัตราส่วนของความจุความร้อนได้ เลขชี้กำลังอะเดียแบติก คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญอีกประการหนึ่งของก๊าซจริงก็คือความสามารถในการอัดตัวได้ ในความเป็นจริง ความสามารถในการอัดของก๊าซเป็นปัจจัยกำหนดที่แยกแยะความเบี่ยงเบนของก๊าซจากก๊าซในอุดมคติ คุณลักษณะความสามารถในการอัดถูกกำหนดโดยค่าสัมประสิทธิ์การอัดหรือปัจจัย Z ในศัพท์ต่างประเทศในแบบจำลองก๊าซจริง ค่าสัมประสิทธิ์การอัดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันที่กำหนด (Tm, pm) ซึ่งถูกกำหนดดังนี้: T, Tcr - อุณหภูมิของก๊าซในปัจจุบันและวิกฤติ, p, pcr - แรงดันก๊าซในปัจจุบันและวิกฤตเช่นในท่อ การคำนวณของ ค่าสัมประสิทธิ์การอัด (ตามวิธี ONTP 51- 1-85): จากข้อมูลของมหาวิทยาลัย Gubkin: ลองพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซจริงที่เกี่ยวข้องกับความหนืดของมัน ดังที่ทราบกันดีว่าความหนืดของตัวกลางที่ต่อเนื่องจะกำหนดแรงเสียดทานภายในระหว่างชั้นของของเหลวหรือก๊าซระหว่างการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ หาได้จากความสัมพันธ์เชิงทดลองระหว่างแรงดันและเกรเดียนต์ความเร็ว ในการคำนวณความเค้นเฉือนจะใช้แนวคิดของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิกซึ่งใช้ในการคำนวณความเค้นเฉือนตามสูตร: v, n - ความเร็วการไหลสัมพัทธ์และค่าปกติของความเพรียวลม - ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดไดนามิกของก๊าซ (Pa · s) - ความเค้นเสียดสีภายใน (Pa) มีการใช้การกำหนดต่อไปนี้สำหรับความหนืดจลน์: ก๊าซธรรมชาติเกือบทั้งหมดมีไอน้ำ การปรากฏตัวของไอน้ำในก๊าซมีส่วนทำให้เกิดไฮเดรตบนพื้นผิวของท่อ ความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่าง w - มวลสัมบูรณ์และ - ความชื้นเชิงปริมาตร สูตรเหล่านี้ไม่ได้คำนึงถึงการเบี่ยงเบนของกฎของก๊าซจริงจากกฎของก๊าซในอุดมคติ ดังนั้นจึงมีการนำแนวคิดเรื่องความชื้นสัมพัทธ์ของก๊าซมาใช้ ความชื้นสัมพัทธ์ของก๊าซคืออัตราส่วนของปริมาณไอน้ำที่แท้จริงต่อค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ (ที่ความดันและอุณหภูมิเดียวกัน) ต่อหน่วยปริมาตร: mw,T - ปริมาณไอน้ำสูงสุดที่เป็นไปได้ที่สามารถมีอยู่ที่อุณหภูมิที่กำหนด ที; mw - ความหนาแน่นของไอ w,T - ความหนาแน่นของไอน้ำอิ่มตัว pw คือความดันบางส่วนของไอน้ำในส่วนผสมของก๊าซ pw,T คือความดันของไอน้ำอิ่มตัวในส่วนผสมของก๊าซ อุณหภูมิที่ก๊าซอิ่มตัวที่ความดันหนึ่งเรียกว่าจุดน้ำค้าง เมื่อทำการคำนวณทางเทคโนโลยีสำหรับท่อส่งก๊าซ ก๊าซจะต้องทำให้แห้งเพื่อให้อุณหภูมิในการขนส่งต่ำกว่าจุดน้ำค้างหลายองศา

ของเหลว:

ของเหลวต่างจากของแข็งตรงที่มีลักษณะการเกาะกันต่ำระหว่างอนุภาค ซึ่งส่งผลให้ของเหลวมีความลื่นไหลและเปลี่ยนรูปร่างของภาชนะที่วางไว้

ของเหลวแบ่งออกเป็นสองประเภท: หยดและก๊าซ ของเหลวหยดมีความต้านทานแรงอัดสูง (แทบไม่อัดตัวได้) และมีความต้านทานต่ำต่อแรงสัมผัสและแรงดึง (เนื่องจากการยึดเกาะของอนุภาคไม่มีนัยสำคัญและแรงเสียดทานระหว่างอนุภาคต่ำ) ของเหลวที่เป็นก๊าซมีลักษณะเฉพาะคือไม่มีความต้านทานต่อการบีบอัดเกือบทั้งหมด ของเหลวที่เป็นหยดประกอบด้วยน้ำ น้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด น้ำมัน ปรอท และอื่นๆ และของเหลวที่เป็นก๊าซรวมถึงก๊าซทั้งหมด

ชลศาสตร์ศึกษาของเหลวหยด เมื่อแก้ไขปัญหาเชิงปฏิบัติในระบบชลศาสตร์ มักใช้แนวคิดของของไหลในอุดมคติซึ่งเป็นตัวกลางที่ไม่สามารถอัดตัวได้ซึ่งไม่มีแรงเสียดทานภายในระหว่างอนุภาคแต่ละตัว

คุณสมบัติทางกายภาพหลักของของเหลว ได้แก่ ความหนาแน่น ความดัน ความสามารถในการอัด การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และความหนืด

ความหนาแน่นคืออัตราส่วนของมวลต่อปริมาตรที่มวลนั้นครอบครอง ความหนาแน่นวัดเป็นหน่วย SI เป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m3) ความหนาแน่นของน้ำคือ 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

ตัวชี้วัดแบบรวมยังใช้: – กิโลปาสกาล - 1 kPa = 103 Pa; – เมกะปาสกาล - 1 MPa = 106 Pa

ความสามารถในการอัดของของเหลวคือความสามารถในการเปลี่ยนปริมาตรเมื่อความดันเปลี่ยนแปลง คุณสมบัตินี้มีเอกลักษณ์เฉพาะด้วยค่าสัมประสิทธิ์ของการบีบอัดปริมาตรหรือความสามารถในการอัด ซึ่งแสดงถึงการลดลงสัมพัทธ์ของปริมาตรของของเหลวเมื่อความดันเพิ่มขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ สำหรับการคำนวณในด้านระบบไฮดรอลิกส์ในการก่อสร้าง น้ำถือว่าไม่สามารถอัดตัวได้ ในเรื่องนี้เมื่อแก้ไขปัญหาในทางปฏิบัติมักจะมองข้ามความสามารถในการอัดของของเหลว

ส่วนกลับของอัตราส่วนการบีบอัดเชิงปริมาตรเรียกว่าโมดูลัสยืดหยุ่น โมดูลัสของความยืดหยุ่นวัดเป็นปาสคาล

การขยายตัวทางความร้อนของของเหลวเมื่อได้รับความร้อนนั้นมีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนซึ่งแสดงการเพิ่มขึ้นสัมพัทธ์ของปริมาตรของของเหลวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 1 C

ปริมาตรของน้ำจะลดลงเมื่อได้รับความร้อนจาก 0 ถึง 4 °C ซึ่งแตกต่างจากวัตถุอื่นๆ ที่อุณหภูมิ 4 °C น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดและความถ่วงจำเพาะสูงสุด เมื่อให้ความร้อนเพิ่มขึ้น ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในการคำนวณโครงสร้างหลายอย่าง ที่มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของอุณหภูมิและความดันของน้ำ การเปลี่ยนแปลงของค่าสัมประสิทธิ์นี้สามารถละเลยได้

ความหนืดของของเหลวคือความสามารถในการต้านทานการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ (แรงเฉือน) ของอนุภาคของเหลว แรงที่เกิดจากการเลื่อนของชั้นของเหลวเรียกว่าแรงเสียดทานภายในหรือแรงหนืด

แรงความหนืดปรากฏออกมาในระหว่างการเคลื่อนที่ของของไหลจริง หากของเหลวอยู่นิ่งก็สามารถใช้ความหนืดได้เท่ากับศูนย์ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนืดของของเหลวจะลดลงอย่างรวดเร็ว คงที่เกือบคงที่ตามการเปลี่ยนแปลงของความกดดัน

กาซอฟ:

คุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซ เช่นเดียวกับสสารใดๆ เริ่มต้นด้วยคำจำกัดความที่เกี่ยวข้องกับมวลและพลังงานของมัน ดังนั้นความหนาแน่นของก๊าซในแง่หนึ่งจึงถูกกำหนดอย่างเท่าเทียมกันดังนี้: หากทราบค่าสุดท้ายของขนาดมวลและปริมาตรดังนั้นสำหรับปริมาตรที่น้อยที่สุดของสารค่าจำกัดของความหนาแน่นจะเท่ากับ เมื่อคำนวณ อัตราการไหลของก๊าซเชิงพาณิชย์ ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของก๊าซที่ใช้ เช่น อัตราส่วน r - ความหนาแน่นของก๊าซต่อความหนาแน่นของอากาศแห้ง - ra ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของก๊าซในอากาศเท่ากับ ความหนาแน่นของก๊าซที่อุณหภูมิ 0°C และความดันบรรยากาศสามารถกำหนดได้จากมวลโมลาร์ของมัน - เราคำนวณความหนาแน่นใหม่สำหรับพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ ของก๊าซโดยใช้สูตร ความหนาแน่นของส่วนผสมก๊าซถูกกำหนดโดยกฎของการผสม (สารเติมแต่ง) ai - ความเข้มข้นเชิงปริมาตรของส่วนประกอบก๊าซในส่วนผสม (0 ai 1) - ความหนาแน่นของส่วนประกอบของส่วนผสม ปริมาตรจำเพาะของก๊าซคำนวณได้ดังนี้ มวลโมลเฉลี่ยของส่วนผสมมีค่าเท่ากับ ในการคำนวณทางความร้อน ขึ้นอยู่กับกระบวนการที่เกิดขึ้น จะใช้แนวคิดเรื่องความจุความร้อนของสาร - ที่ความดันคงที่ cp และ ที่ปริมาตรคงที่ cv ซึ่งสูตรของเมเยอร์ใช้ได้ อัตราส่วนของความจุความร้อนเรียกว่าเลขชี้กำลังอะเดียแบติก คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญอีกประการหนึ่งของก๊าซจริงคือความสามารถในการอัดตัว ในความเป็นจริง ความสามารถในการอัดของก๊าซเป็นปัจจัยกำหนดที่แยกแยะความเบี่ยงเบนของก๊าซจากก๊าซในอุดมคติ คุณลักษณะความสามารถในการอัดถูกกำหนดโดยค่าสัมประสิทธิ์การอัดหรือปัจจัย Z ในศัพท์ต่างประเทศในแบบจำลองก๊าซจริง ค่าสัมประสิทธิ์การอัดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความดันที่กำหนด (Tm, pm) ซึ่งถูกกำหนดดังนี้: T, Tcr - อุณหภูมิของก๊าซในปัจจุบันและวิกฤติ, p, pcr - แรงดันก๊าซในปัจจุบันและวิกฤตเช่นในท่อ การคำนวณของ ค่าสัมประสิทธิ์การอัด (ตามวิธี ONTP 51- 1-85): จากข้อมูลของมหาวิทยาลัย Gubkin: ลองพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซจริงที่เกี่ยวข้องกับความหนืดของมัน ดังที่ทราบกันดีว่าความหนืดของตัวกลางที่ต่อเนื่องจะกำหนดแรงเสียดทานภายในระหว่างชั้นของของเหลวหรือก๊าซระหว่างการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ หาได้จากความสัมพันธ์เชิงทดลองระหว่างแรงดันและเกรเดียนต์ความเร็ว ในการคำนวณความเค้นเฉือนจะใช้แนวคิดของค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิกซึ่งใช้ในการคำนวณความเค้นเฉือนตามสูตร: v, n - ความเร็วการไหลสัมพัทธ์และค่าปกติของความเพรียวลม - ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดไดนามิกของก๊าซ (Pa · s) - ความเค้นเสียดสีภายใน (Pa) มีการใช้การกำหนดต่อไปนี้สำหรับความหนืดจลน์: ก๊าซธรรมชาติเกือบทั้งหมดมีไอน้ำ การปรากฏตัวของไอน้ำในก๊าซมีส่วนทำให้เกิดไฮเดรตบนพื้นผิวของท่อ ความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่าง w - มวลสัมบูรณ์และ - ความชื้นเชิงปริมาตร สูตรเหล่านี้ไม่ได้คำนึงถึงการเบี่ยงเบนของกฎของก๊าซจริงจากกฎของก๊าซในอุดมคติ ดังนั้นจึงมีการนำแนวคิดเรื่องความชื้นสัมพัทธ์ของก๊าซมาใช้ ความชื้นสัมพัทธ์ของก๊าซคืออัตราส่วนของปริมาณไอน้ำที่แท้จริงต่อค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ (ที่ความดันและอุณหภูมิเดียวกัน) ต่อหน่วยปริมาตร: mw,T - ปริมาณไอน้ำสูงสุดที่เป็นไปได้ที่สามารถมีอยู่ที่อุณหภูมิที่กำหนด ที; mw - ความหนาแน่นของไอ w,T - ความหนาแน่นของไอน้ำอิ่มตัว pw คือความดันบางส่วนของไอน้ำในส่วนผสมของก๊าซ pw,T คือความดันของไอน้ำอิ่มตัวในส่วนผสมของก๊าซ อุณหภูมิที่ก๊าซอิ่มตัวที่ความดันหนึ่งเรียกว่าจุดน้ำค้าง เมื่อทำการคำนวณทางเทคโนโลยีสำหรับท่อส่งก๊าซ ก๊าซจะต้องทำให้แห้งเพื่อให้อุณหภูมิในการขนส่งต่ำกว่าจุดน้ำค้างหลายองศา

• อะตอม (หรือโมเลกุล) ในผลึกถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบเพื่อสร้างโครงผลึก

คำถามและงาน

ระดับแรก

1. คุณรู้สถานะของสสารอะไรบ้าง?
2. คุณจะทดสอบยืนยันได้อย่างไรว่าแก้ว "เปล่า" เต็มไปด้วยอากาศ
3. ทำไมคุณไม่สามารถเติมก๊าซที่ไม่มีฉากกั้นเพียงครึ่งถังได้
4. โครงสร้างโมเลกุลของก๊าซคืออะไร? มันอธิบายคุณสมบัติของก๊าซอะไร?
5. การสังเกตคุณสมบัติของของเหลวสามารถทำได้โดยการเทน้ำจากภาชนะหนึ่งไปอีกภาชนะหนึ่ง
6. โครงสร้างโมเลกุลของของเหลวคืออะไร? ของเหลวมีคุณสมบัติอะไรบ้างที่อธิบายได้?
7. คุณรู้คุณสมบัติของของแข็งอะไรบ้าง? ยกตัวอย่างที่แสดงให้เห็นความแตกต่างในคุณสมบัติของของแข็ง

   ระดับที่สอง

8. ยกตัวอย่างก๊าซ ของเหลว และของแข็งที่คุณรู้จัก
9. คุณสมบัติทั่วไปของของเหลวและก๊าซคืออะไร? ของเหลวและของแข็ง?
10. อะไรคือความแตกต่างที่สำคัญระหว่างก๊าซกับของเหลวและของแข็ง?
11. อะไรอธิบายความสามารถในการอัดของเหลวและของแข็งได้ต่ำ
12. วัตถุที่เป็นผลึกคืออะไร? โครงสร้างโมเลกุลของพวกเขาคืออะไร? ยกตัวอย่างของแข็งที่เป็นผลึก
13. ยกตัวอย่างวัตถุอสัณฐาน อะไรคือความแตกต่างจากคริสตัลลีน?
14. วัตถุอสัณฐานและวัตถุที่เป็นผลึกมีอะไรเหมือนกัน? ในร่างกายอสัณฐานและของเหลว?
15. ตั้งโจทย์เกี่ยวกับสถานะของสสาร โดยให้คำตอบว่า “แก๊สเท่านั้น”

ห้องปฏิบัติการที่บ้าน

1. เติม ขวดพลาสติกเติมน้ำลงไปประมาณครึ่งทางแล้วปิดให้แน่นด้วยจุกปิด ลองบีบขวดดู จากนั้นทำการทดลองเดิมซ้ำโดยเติมขวดขึ้นไปด้านบน คุณสังเกตเห็นความแตกต่างอะไรบ้าง? มันบ่งบอกอะไร?
2. ตรวจสอบผลึกของน้ำตาลทรายและเกลือแกงใต้แว่นขยาย เปรียบเทียบกับชิ้นเล็กๆ กระจกแตก- ความแตกต่างคืออะไร? คุณช่วยอธิบายได้ไหม?

สิ่งสำคัญในบทนี้

• ร่างกายทั้งหมดรอบตัวเราประกอบด้วยอะตอม นักวิทยาศาสตร์รู้จักอะตอมมากกว่า 100 ชนิดในปัจจุบัน
• เมื่อถูกดึงดูดซึ่งกันและกัน อะตอมจะก่อตัวเป็นโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์รู้จักโมเลกุลหลายล้านชนิด
• คุณสมบัติของสารถูกกำหนดโดยประเภทของโมเลกุลที่ประกอบเป็นสาร
• ขนาดของโมเลกุลมีหน่วยเป็นล้านส่วนมิลลิเมตร
• โมเลกุลของก๊าซ ของเหลว และของแข็งมีการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายตลอดเวลา ซึ่งระบุได้จากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนและปรากฏการณ์การแพร่กระจาย
• ความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวาย (ความร้อน) จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
• โมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน: ในระยะทางที่สั้นมากพวกมันจะผลักกัน และในระยะทางที่ไกลกว่านั้นพวกมันจะดึงดูดกัน การผลักกันของโมเลกุลอธิบายถึงความไม่อัดตัวของของเหลวและของแข็งซึ่งมีโมเลกุลอยู่ใกล้กัน

• สารสามารถอยู่ในสถานะของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซได้
• ก๊าซครอบครองปริมาตรทั้งหมดที่ให้ไว้ แก๊สสามารถอัดตัวได้ง่าย โมเลกุลในแก๊สไม่ได้อยู่ใกล้กัน
• ของเหลวจะมีรูปทรงเหมือนภาชนะที่บรรจุของเหลวนั้นอยู่ นี่เป็นเพราะความลื่นไหลของมัน ของเหลวนั้นแทบจะอัดตัวไม่ได้ โมเลกุลในของเหลวตั้งอยู่ใกล้กัน แต่ไม่มีลำดับเฉพาะในการจัดเรียงนี้
• ของแข็งคงปริมาตรและรูปร่างไว้
• ของแข็งมีลักษณะเป็นผลึกและไม่มีรูปร่าง
• อะตอม (หรือโมเลกุล) ในผลึกถูกจัดเรียงอย่างเป็นระเบียบจนกลายเป็นโครงตาข่ายคริสตัล
• คุณสมบัติของของแข็งผลึกนั้นไม่ได้ถูกกำหนดโดยประเภทของอะตอมหรือโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากโครงสร้างของโครงผลึกด้วย

ความลื่นไหล- วัตถุที่เป็นของเหลวและก๊าซแตกต่างจากวัตถุที่เป็นของแข็งในคุณสมบัติของของเหลว หากแรงไม่ทำลายล้างขนาดเล็กกระทำต่อวัตถุที่เป็นของแข็ง รูปร่างของมันก็จะเปลี่ยนไปเล็กน้อยเช่น ตำแหน่งสัมพัทธ์ของชิ้นส่วนต่างๆ หากภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกขนาดเล็กโดยพลการร่างกายจะเปลี่ยนรูปไม่ จำกัด จนกระทั่งความเค้นสัมผัสภายในนั้นมีค่าเท่ากับศูนย์ดังนั้นในกรณีนี้คุณสมบัติที่เรียกว่า ความลื่นไหล .

ร่างกายจำนวนมากมีลักษณะเป็นคู่ ตัวอย่างเช่น แก้วที่เราคุ้นเคยกันว่าเป็นของแข็งที่เปราะสามารถมีพฤติกรรมเหมือนของเหลวภายใต้ภาระที่ยืดเยื้อ ดังนั้นกระจกหน้าต่างที่มีอายุมากกว่า 100 ปีจึงมีความหนาที่ส่วนล่างมากกว่าส่วนบนเนื่องจากวัสดุจะ "ไหล" ลงมาภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ในทางกลับกัน ของเหลวทั่วไป เช่น น้ำ เมื่อถูกโหลด (กระแทกอย่างรวดเร็ว) จะมีพฤติกรรมเหมือนของแข็ง

ลองพิจารณาลักษณะของความเป็นคู่นี้ในระดับโมเลกุล เนื่องจากการกระทำของแรงดึงดูดและแรงผลัก การจัดเรียงโมเลกุลในอวกาศจึงได้รับคำสั่ง ระยะห่างลักษณะเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลของของเหลวและของแข็งมีค่าประมาณเท่ากันและเท่ากับ "(34)10 -8 ซม. ภายใต้อิทธิพลของความร้อน โมเลกุลจะเคลื่อนที่ (สั่นอย่างวุ่นวาย) รอบตำแหน่งสมดุลเพิ่มขึ้น แอมพลิจูดของการสั่นกับอุณหภูมิ ในของแข็ง แอมพลิจูดจะน้อยกว่าระยะห่างระหว่างโมเลกุลในของเหลวมาก - เหล่านี้เป็นปริมาณในลำดับเดียวกัน ดังนั้นการสั่นสะเทือนของโมเลกุลที่ดำเนินการด้วยแอมพลิจูดในลำดับเดียวกันกับระยะทางสามารถนำไปสู่ความจริงที่ว่าโมเลกุลสามารถกระโดดจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในเซลล์ได้ ในของเหลวบางชนิดสิ่งนี้เกิดขึ้นบ่อยกว่าในของเหลวบางชนิด - ไม่บ่อยนัก

ความลื่นไหลของร่างกายถูกกำหนดโดยเวลาลักษณะเฉพาะของโมเลกุลที่อยู่ในแต่ละเซลล์ตั้งแต่วินาทีที่มันเข้าไปในเซลล์จนถึงช่วงเวลาที่มันกระโดดไปยังเซลล์อื่น หากเวลาที่โมเลกุลอยู่ในเซลล์น้อยกว่าเวลาออกฤทธิ์ของแรงมาก ดังนั้นในระหว่างช่วงออกฤทธิ์ของแรงโมเลกุลสามารถเปลี่ยนตำแหน่งในอวกาศได้หลายครั้งเช่น ปล่อยให้มีแรงทำให้ร่างกายเสียรูปอย่างต่อเนื่องและไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้ (เช่น ทำตัวเหมือนของไหล) เราเรียกร่างกายนี้ว่า ของเหลว - มิฉะนั้น เรากำลังเผชิญกับร่างกายที่มั่นคง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความลื่นไหลของร่างกายก็จะเพิ่มขึ้น

สำหรับวัตถุที่เป็นก๊าซ คุณลักษณะเฉพาะคือการเคลื่อนไหวที่วุ่นวายและการชนกันของโมเลกุลในอวกาศ ดังนั้นก๊าซไม่เพียงแต่มีความลื่นไหลเท่านั้น แต่ยังมีความสามารถในการอัดตัวอีกด้วย

การอัดตัวของของเหลวและก๊าซ- ลองใช้แรง DF และเพิ่มความดันในปริมาตร V ตามจำนวน Dp (รูปที่ 1.2) ตัวกลางต่อเนื่องจะบีบอัด โดยลดปริมาตรลงตามจำนวน DV พบว่าความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงปริมาตรและความดันเป็นแบบเส้นตรง กล่าวคือ สำหรับของเหลวและก๊าซแต่ละชนิด คุณสามารถแนะนำค่าคงที่ที่เรียกว่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตร (ที่อุณหภูมิคงที่):

. (1.3.1)

อัตราส่วนการอัดปริมาตรมีมิติ (Pa) -1 เครื่องหมายลบถูกนำมาใช้เพื่อสะท้อนถึงการลดลงของปริมาตรภายใต้การบีบอัด แต่สำหรับการคำนวณเชิงปฏิบัติจะสะดวกที่จะให้เป็นบวก

โมดูลัสความยืดหยุ่นจำนวนมาก EV เป็นส่วนกลับของ b V:

. (1.3.2)

ค่าทั้งสองนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและประเภทของของเหลว โมดูลัสความยืดหยุ่นเชิงปริมาตรของน้ำที่ T = 293°K เท่ากับ EV = 2 × 10 9 Pa » 20,000 kgf/cm 2 .

ตัวอย่าง- นอกเหนือจากความดันบรรยากาศ (p a = 101325 Pa หรือ 1.033 kgf/cm2) แล้วยังใช้แรงดันเดียวกันนี้กับน้ำเพิ่มเติม ปริมาตรของน้ำจะลดลงประมาณ 1/20000 กล่าวคือ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสังเกตเห็น ด้วยเหตุนี้ น้ำและของเหลวอื่นๆ จึงถือว่าไม่สามารถอัดตัวได้ และความหนาแน่นของน้ำและของเหลวดังกล่าวถือว่าคงที่ (r = const) โดยไม่ขึ้นอยู่กับความดัน

สำหรับก๊าซ เราสามารถใช้แบบจำลองก๊าซในอุดมคติซึ่งมีคุณลักษณะเฉพาะด้วยสมการคลาเปรอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ - เมนเดเลเยฟ

หรือ , (1.3.3)

โดยที่ R คือค่าคงที่ของก๊าซจำเพาะ โดยไม่ขึ้นกับความหนาแน่นและอุณหภูมิ แต่จะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับลักษณะของก๊าซ (เช่น สำหรับอากาศ R = 287 J/kgK) เมื่อใช้สมการ (1.5.3) คุณสามารถค้นหาความหนาแน่นของอากาศที่ความดันบรรยากาศและอุณหภูมิโดยรอบเท่ากับ 20°С:

.

กฎของบอยล์เป็นไปตามกฎข้อนี้ - Mariotte สร้างความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิความร้อนระหว่างความดันและความหนาแน่น:

สำหรับปริมาตรก๊าซที่กำหนดที่อุณหภูมิคงที่

สำหรับกระบวนการอะเดียแบติก (เมื่อไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างปริมาตรก๊าซที่ปล่อยออกมาและ สิ่งแวดล้อม) การพึ่งพาดังต่อไปนี้เป็นลักษณะเฉพาะ:

, (1.3.5)

ที่ไหน - ค่าคงที่ของก๊าซอะเดียแบติก กับวี - ความจุความร้อนของก๊าซที่ปริมาตรคงที่ กับพี - เหมือนกันที่ความดันคงที่

ความแตกต่างระหว่างกลศาสตร์ของไหลและกลศาสตร์ของแก๊ส- แม้ว่าคุณสมบัติของของเหลวจะเป็นพื้นฐานในการศึกษาของเหลวและก๊าซ แต่ในบางกรณีก็จำเป็นต้องแยกของเหลวออกจากก๊าซ

· ข้อแตกต่างที่สำคัญคือก๊าซถูกบีบอัดได้ง่าย และความเร็วของการแพร่กระจายของเสียง (และความผิดปกติทางกลทั้งหมด) ในนั้นก็น้อยกว่าในของเหลวมาก ต้องคำนึงถึงคุณลักษณะของก๊าซนี้เมื่อความเร็วในการเคลื่อนที่ (หรือความเร็วของการเคลื่อนที่ของวัตถุที่เป็นของแข็งในนั้น) จะเทียบเท่ากับความเร็วของเสียงหรือเกินกว่านั้น

· ของเหลวมีขอบเขตพื้นผิวระหว่างของเหลวกับก๊าซที่อยู่รอบๆ ซึ่งต่างจากแก๊ส ซึ่งเรียกว่าพื้นผิวอิสระ ในสนามแรงโน้มถ่วง พื้นผิวอิสระของของเหลวมีลักษณะเป็นแนวนอน ภายใต้สภาวะไร้น้ำหนัก เนื่องจากแรงตึงผิว พื้นผิวอิสระจึงเป็นทรงกลม คุณสมบัติของของเหลวนี้รวมถึงความสามารถในการอัดตัวต่ำนั้นเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องของโมเลกุลข้างเคียง ในก๊าซ โมเลกุลจะมีปฏิกิริยาต่อกันเฉพาะในช่วงเวลาที่ชนกันเท่านั้น โดยส่วนใหญ่แล้วพวกมันจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในอวกาศ ดังนั้น เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบสุ่ม ก๊าซจึงมีแนวโน้มที่จะกระจายอย่างเท่าเทียมกันทั่วทั้งส่วนที่ปิดล้อมของอวกาศ หากพื้นที่ไม่ปิด ปริมาณก๊าซก็จะเพิ่มขึ้นอย่างไม่มีขีดจำกัด

· ในก๊าซ คุณสามารถลด ความดัน และเพิ่มอุณหภูมิได้ไม่จำกัด และในขณะเดียวกันคุณสมบัติของก๊าซก็จะเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง ในของเหลวความดันสามารถลดลงจนถึงค่าหนึ่งซึ่งต่ำกว่าซึ่งฟองก๊าซเริ่มก่อตัวอยู่ข้างในและเริ่มการเปลี่ยนเฟสซึ่งจะเปลี่ยนคุณสมบัติของตัวกลางของของเหลวในเชิงคุณภาพ สิ่งเดียวกันนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออุณหภูมิของของเหลวเพิ่มขึ้น

ความหนืดของของเหลวและก๊าซ. คุณสมบัติทางรีโอโลยีของของเหลว- ความหนืดเป็นคุณสมบัติของตัวกลางของเหลวซึ่งประกอบด้วยลักษณะที่ปรากฏ กองกำลังภายในป้องกันการเสียรูปเช่น เปลี่ยนตำแหน่งสัมพัทธ์ของชิ้นส่วน ให้เราพิจารณากรณีพิเศษของทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุลของก๊าซในอุดมคติ - การไหลของแรงเฉือนอย่างง่าย (รูปที่ 1.3)

รูปที่.1.3. ความเค้นหนืดในของเหลวและก๊าซ

พื้นที่เบื้องต้นของพื้นผิวที่แยกชั้น 1 และ 2 เคลื่อนที่ไปพร้อมกับของเหลว ในกรณีนี้ ชั้นของเหลว 1 เลื่อนไปเหนือชั้น 2 ด้วยความเร็วสัมพัทธ์ โมเลกุลของก๊าซมีส่วนร่วมในการเคลื่อนไหวสองประเภท:

· สั่ง (ตามยาว) ด้วยความเร็ว u x หรือ u x + D u x ขึ้นอยู่กับเลเยอร์ที่พวกมันอยู่

· การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวาย ไม่เป็นระเบียบ (รวมถึงแนวขวาง) ซึ่งโดยปกติจะมีความเร็วเป็นสองเท่าของขนาดที่สูงกว่าความเร็วของการเคลื่อนที่แบบสั่ง

ความหนืดของก๊าซเกิดจากการถ่ายโอนของโมเลกุลระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนผ่านพื้นที่เบื้องต้น DхDу ซึ่งนอนอยู่ในระนาบที่แยกสองชั้นออกด้วยความเร็วตามยาวที่แตกต่างกัน u x และ u x + Du x ปริมาณการเคลื่อนที่เนื่องจากความแตกต่าง Du x ของความเร็วของชั้นเหล่านี้ โมเลกุลเคลื่อนที่อย่างโกลาหลในลักษณะสุ่ม ในขณะที่พวกมันเคลื่อนที่จากชั้นหนึ่งไปอีกชั้นหนึ่ง โดยข้ามพื้นที่ DxDy โมเลกุลที่มีความเร็วสั่ง u x เคลื่อนที่เข้าไปในชั้น 2 และทำให้การเคลื่อนที่ช้าลง และมีจำนวนโมเลกุลที่ติดอยู่ในชั้นเท่ากัน 1 จากเลเยอร์ 2, เร่งชั้น 1.

ด้วยการแนะนำแบบจำลองต่อเนื่อง (นั่นคือ ไม่รวมโครงสร้างโมเลกุลของสารจากการพิจารณา) เชื่อกันว่าความเค้นในวงสัมผัสกระทำต่อพื้นที่ DxDy เพื่อชดเชยการถ่ายโอนโมเมนตัมที่เกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล ตามทฤษฎีจลน์ศาสตร์โมเลกุล ความเครียดในวงสัมผัส

(1.3.6)

ที่ไหน ชั่วโมง - ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิก , หรือเพียงแค่ความหนืดไดนามิกของก๊าซ นี่คือลักษณะอุทกพลศาสตร์ที่กำหนดโดยคุณสมบัติทางกายภาพของของไหล สัญญาณของความเครียดนั้นเหมือนกับว่ากำลัง "พยายาม" เพื่อลดความแตกต่างของความเร็วระหว่างชั้นต่างๆ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเร็วของการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวายจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้จำนวนโมเลกุลที่ข้ามพื้นที่ DxDy เพิ่มขึ้นต่อหน่วยเวลา ด้วยเหตุนี้ การถ่ายโอนโมเมนตัมจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง และด้วยเหตุนี้ ความเค้นในวงสัมผัส p zx ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ตาม (1.3.6) หมายความว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์ไดนามิกของความหนืดของก๊าซจะเพิ่มขึ้น

ในของเหลว สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดอิทธิพลของชั้นหนึ่งต่ออีกชั้นหนึ่ง (เช่น การถ่ายโอนโมเมนตัม) ก็คือปฏิกิริยาของโมเลกุลที่อยู่ด้านตรงข้ามของขอบเขตระหว่างชั้นต่างๆ ไม่ใช่การถ่ายโอนของโมเลกุลข้ามขอบเขตนี้ ตามที่ระบุไว้แล้วทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุลของของเหลวยังไม่ได้รับการพัฒนาเพียงพอดังนั้นกลไกของความหนืดในของเหลวจึงได้รับการศึกษาได้ดีกว่าในก๊าซมาก เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าในของเหลว โครงสร้างควอซิคริสตัลไลน์จะเกิดขึ้นและถูกทำลายอย่างต่อเนื่องในระหว่างการเลื่อนชั้นสัมพัทธ์ และแรงที่จำเป็นสำหรับการทำลายจะกำหนดความหนืด ตามธรรมชาติเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โมเลกุลของของเหลวจะเคลื่อนที่ได้มากขึ้น และการทำลายโครงสร้างจะเกิดขึ้นที่ค่าแรงเฉือนที่ต่ำกว่า ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์ไดนามิกของความหนืดของของเหลวจะลดลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (ไม่เหมือนกับก๊าซ - ดูด้านบน)

แม้จะมีกลไกระดับโมเลกุลที่แตกต่างกันของการเกิดความเครียดในของเหลวและก๊าซ ในสื่อทั้งสองนี้ ความเค้นในวงสัมผัสมีความเกี่ยวข้องกับความแปรปรวนของสนามความเร็วของการพึ่งพาเดียวกัน

สะพาน (1.3.6) ซึ่งเรียกว่า กฎของนิวตันสำหรับความเค้นหนืดต่างจากกฎหมายเรื่องการเสียดสีแบบแห้ง ความเค้นเฉือนแบบเฉือนในของเหลวและก๊าซไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเค้นปกติ

ตามคำจำกัดความ (1.3.6) ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดแบบไดนามิก h มีหน่วยการวัดดังต่อไปนี้:

.

มิติ h แสดงผ่านมิติของแรงดันไฟฟ้า Pa และเวลา s บางครั้ง g/cm×s ถูกใช้เป็นหน่วย h ซึ่งเรียกว่า poise (เพื่อเป็นเกียรติแก่แพทย์ชาวฝรั่งเศส A. Poiseuille ผู้ดำเนินการศึกษาพื้นฐานของการเคลื่อนที่ของของเหลวหนืด) และเขียนแทนด้วย P:

Pa×s = 10×P

การพึ่งพาอาศัยกัน (1.3.6) แสดงถึงลักษณะการถ่ายโอนข้ามการไหลของโมเมนตัมของชั้นของเหลว ซึ่งเป็นสัดส่วนกับทั้งความเร็ว u x และความหนาแน่นของของไหล r ด้วยเหตุนี้ การแสดงกฎของนิวตันในรูปแบบจึงเป็นประโยชน์

,

. (1.3.7)

ปริมาณนี้มีมิติ

.

เนื่องจากมิติ n มีเพียงเมตรและวินาทีเท่านั้น (และไม่รวมถึงมิติมวล) ปริมาณนี้จึงเรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดจลนศาสตร์(หรือความหนืดจลนศาสตร์) มิติ cm 2 /s เรียกว่า Stokes (เพื่อเป็นเกียรติแก่นักอุทกศาสตร์ชาวอังกฤษ J. Stokes ซึ่งเป็นผู้กำหนดสมการเชิงอนุพันธ์ของการเคลื่อนที่ของของไหลหนืด) และเขียนแทน St:

1St = 10 -4 m 2 /s.

โดยสรุป เราสังเกตว่าในก๊าซทั้งความหนืด (ลักษณะการถ่ายโอนโมเมนตัม) และการแพร่กระจายของโมเลกุล (ลักษณะการถ่ายโอนของก๊าซจากต่างประเทศ) เกิดจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่วุ่นวายเนื่องจากความร้อน ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด n จึงมีลำดับความสำคัญเดียวกันกับค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของโมเลกุลในกฎของฟิค ในของเหลว ความหนืด (และการถ่ายโอนโมเมนตัมที่เกี่ยวข้อง) เกิดจากการทำลายพันธะระหว่างโมเลกุล และการแพร่กระจายเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล เช่น ปรากฏการณ์เหล่านี้มีความแตกต่างกัน ธรรมชาติทางกายภาพ- ด้วยเหตุนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในของเหลวจึงน้อยกว่าตารางค่าสัมประสิทธิ์ความหนืด n หลายร้อยเท่า ตารางที่ 1.1 แสดงค่า h, r, n สำหรับของเหลวและก๊าซบางชนิด

ตารางที่ 1.1

ค่า h, r, n สำหรับของเหลวและก๊าซบางชนิด

จากค่าสัมประสิทธิ์ความหนืดที่กำหนดจะตามมาว่าความหนืดของน้ำลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 0 ถึง 100 ° C เกือบเจ็ดเท่าและความหนืดของอากาศจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจาก 20 ถึง 50 ° C ขึ้น 25% .

สำหรับการคำนวณในทางปฏิบัติทางวิศวกรรมจะใช้ค่าประมาณของค่าสัมประสิทธิ์จลนศาสตร์ของความหนืดของน้ำ: n = 0.01 ซม. 2 /s = 0.01 St. ของเหลวที่ขึ้นอยู่กับ (1.3.6) ถูกต้องเรียกว่านิวตัน

อย่างไรก็ตาม มีของเหลวหลายชนิดที่กฎของนิวตันไม่ครอบคลุม ศาสตร์แห่งธรรมชาติของการพึ่งพาอาศัยกันเรียกว่ากระแสวิทยา (กรีก reo - flow, logos - การสอน) หากคุณแสดงการพึ่งพา (1.3.6) ในรูปแบบของกราฟ (รูปที่ 1.4) มันจะมีลักษณะเป็นเส้นตรง 1

ในการศึกษาทดลองของเหลวบางชนิดอาจอยู่ในรูปของเส้นโค้ง 2 ของเหลวดังกล่าวที่ต้านทานขนาดเล็ก (p zx< ) сдвигающим напряжениям, как твердое тело, а при (p zx >) มีพฤติกรรมเหมือนวัตถุเหลว และเรียกว่าของเหลวบิงแฮม-ชเวดอฟ

ของเหลวซึ่งมีพฤติกรรมอธิบายด้วยเส้นโค้ง 3, 4 เรียกว่าของเหลว Ostwald-Weyl หากเป็นไปตามการขึ้นต่อกัน 3 จะเรียกว่า pseudoplastic และหากเป็นไปตามการขึ้นต่อกัน 4 จะเรียกว่า dilatant กลไกการเคลื่อนที่ของของเหลวดังกล่าว (ได้แก่ เรซิน ผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม สารละลายโพลีเมอร์ ฯลฯ) มีความซับซ้อนมาก