水力学液体的主要物理性质课件

1 1 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.1 1.1 液体的液体的主要物理性质主要物理性质1.2 1.2 1.2 1.2 液体的密度和容重液体的密度和容重液体的密度和容重液体的密度和容重 1.3 1.3 液体的粘滞性液体的粘滞性 1.4 1.4 液体的压缩性和膨胀性液体的压缩性和膨胀性 1.5 1.5 液体的表面张力液体的表面张力 1.6 1.6 作用于液体上的力作用于液体上的力 1.1 1.1 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.1.1 1.1.1 液体的基本特征液体的基本特征自然界物质存在三种形式自然界物质存在三种形式 固体固体 液体液体气体气体 流体流体 固体固体 液体液体气体气体物质物质 固体固体 液体液体气体气体物质物质 固定形状和体积固定形状和体积 内部存在拉力、压力和剪力内部存在拉力、压力和剪力 不能保持固定形状不能保持固定形状 不能承受拉力，微弱剪力作用不能承受拉力，微弱剪力作用 下，流体发生变形和流动下，流体发生变形和流动 固体固体 液体液体气体气体物质物质压缩和膨胀性小压缩和膨胀性小 可压缩和膨胀可压缩和膨胀1.1.2 1.1.2 连续介质的概念连续介质的概念液体由分子组成，分子之间存在空隙，介质不连续液体由分子组成，分子之间存在空隙，介质不连续分子间距相当微小分子间距相当微小 现代物理学指出，常温下，每立方厘米水中，约含现代物理学指出，常温下，每立方厘米水中，约含3 310102222个分子，相邻分子间距约个分子，相邻分子间距约3 310108 8cmcm。可见，分可见，分子间距相当微小，在很小体积中，包含难以计数的分子。子间距相当微小，在很小体积中，包含难以计数的分子。3108cm水力学中，把液体当作连续介质水力学中，把液体当作连续介质 假设液体是一种连续充满其所占据空间的连续体假设液体是一种连续充满其所占据空间的连续体水力学所研究的液体是连续介质的连续流动水力学所研究的液体是连续介质的连续流动 连续介质的概念连续介质的概念 由瑞士学者欧拉（由瑞士学者欧拉（EulerEuler）17531753年首先建立，年首先建立，这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。如果液体视为连续介质，则液体中如果液体视为连续介质，则液体中一切物理量一切物理量（如（如速度、压强和密度等）可视为速度、压强和密度等）可视为 空间（液体所占据空间）坐标和时间的连续函数空间（液体所占据空间）坐标和时间的连续函数。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。研究液体运动时，可利用连续函数分析方法研究液体运动时，可利用连续函数分析方法 1.1 1.1 液体的主要物理性质液体的主要物理性质1.1.1 1.1.1 液体的基本特征液体的基本特征 不能保持固定形状不能保持固定形状 易流性：不能承受拉力，微弱剪力作用下流动易流性：不能承受拉力，微弱剪力作用下流动 压缩和膨胀性小压缩和膨胀性小1.1.2 1.1.2 连续介质的概念连续介质的概念液体是一种连续充满其所占据空间的连续体液体是一种连续充满其所占据空间的连续体 1.2 1.2 液体的密度和容重液体的密度和容重1 1 密度密度：单位体积液体所包含的质量，用单位体积液体所包含的质量，用表示表示均质液体：均质液体：=式中，式中，M为液体的质量；为液体的质量；V为的体积为的体积 对于非均质液体：对于非均质液体：=式中，式中，M为任意微元的液体质量；为任意微元的液体质量；量纲：量纲：=ML-3单位：单位：kgm-3 V 为任意微元的液体体积。为任意微元的液体体积。M VM,V 量纲：量纲：F=Ma=Ma=Ma每一个物理量包含量的数值和量的种类每一个物理量包含量的数值和量的种类用符号用符号 表示表示物理量的种类称量纲物理量的种类称量纲 例如，例如，F=-Ma则则 f(p,t)=f(压强，温度压强，温度）但随温度、压强变化较小，水力学中一般视为常数。但随温度、压强变化较小，水力学中一般视为常数。用标准大气压下，温度为用标准大气压下，温度为4 4（）时蒸馏水密度计算）时蒸馏水密度计算 1000（kgm-3)若已知均质液体密度和体积，则该液体质量为若已知均质液体密度和体积，则该液体质量为 但随温度和压强的变化较小但随温度和压强的变化较小 f(p,t)=f(压强，温度）压强，温度）2 2 容重（重度）容重（重度）均质液体：均质液体：或：或：则则量纲：量纲：FL-3 单位：单位：Nm-3 或或 kNm-3 重力：地球对物体的吸引力称重力，用符号重力：地球对物体的吸引力称重力，用符号G 表示表示G=Mg式中，式中，g 为加速度。为加速度。不同液体重度是不同的不同液体重度是不同的 f(p,t)=f(压强，温度）压强，温度）但随压强和温度的变化甚微，一般工程上视为常数。但随压强和温度的变化甚微，一般工程上视为常数。9800（Nm-3）9.8（kNm-3）取一个标准大气压下的温度为取一个标准大气压下的温度为4c蒸馏水计算，则蒸馏水计算，则 水的重度（标准大气压下）水的重度（标准大气压下）随温度变化随温度变化 表表0-1 0-1 几种常见的液体的重度（标准大气压下）几种常见的液体的重度（标准大气压下）液体名称液体名称 汽油汽油 纯酒精酒精 蒸蒸馏水水 海水海水 水水银 重度（重度（N Nm m-3-3）测定温度（测定温度（）水的倍数水的倍数666466647350735015150.680.680.750.757778.37778.315150.79370.7937 9800 9800 4 4 1 1 999699961008410084 15 151.021.021.0291.0291332801332800 013.613.6从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析从运动的液体中取出两个相邻的液层进行分析u 两个相邻微元液层受力分析两个相邻微元液层受力分析ABABBAuABABuBA 平板缝隙中的润滑油流动平板缝隙中的润滑油流动 1.3 1.3 液体的粘滞性液体的粘滞性1 1粘滞性：粘滞性：当液体质点（液层）间存在相对运动时当液体质点（液层）间存在相对运动时 液体质点（液层）间产生液体质点（液层）间产生 这种性质称液体粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力这种性质称液体粘滞性，此内摩擦力称为粘滞力内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）或或 液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力因：因：液体质点（液层）间存在相对运动（快慢）液体质点（液层）间存在相对运动（快慢）果：质点间（液层）间存在内摩擦力果：质点间（液层）间存在内摩擦力 （1）方向）方向：与该液层相对运动速度方向相反：与该液层相对运动速度方向相反 （2）大小）大小：由牛顿内摩擦定律决定：由牛顿内摩擦定律决定2 2牛顿内摩擦定律：牛顿内摩擦定律：根据前人的科学实验研究，根据前人的科学实验研究，与液层之间的流速差成正比，与液层之间的流速差成正比，液层接触面上产生的内摩擦力（单位面积上）大小，液层接触面上产生的内摩擦力（单位面积上）大小，与两液层距离成反比，同时与液体的性质有关。与两液层距离成反比，同时与液体的性质有关。试验成果写成表达式为试验成果写成表达式为2 2牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律式中，式中，为液体的动力粘滞系数为液体的动力粘滞系数为切应力，方向与作用面平行为切应力，方向与作用面平行dudy为流速梯度，为流速梯度，y 为垂直于流速方向为垂直于流速方向与相对运动方向相反与相对运动方向相反 uyOu+duyud yuBAuABuBAABAB流速分布曲线流速分布曲线切应力方向判断u+duuu+duu 适用条件适用条件：牛顿流体（牛顿流体（Newtonian fluidNewtonian fluid）图图 牛顿流体的适用条件牛顿流体的适用条件 0du/dy1牛顿流体牛顿流体理想宾汉流体理想宾汉流体伪塑性流体伪塑性流体膨胀性流体膨胀性流体 泥浆，血液等泥浆，血液等 尼龙，橡胶的溶液尼龙，橡胶的溶液生面团，浓淀粉等生面团，浓淀粉等固体的变形固体的变形从另一个角度分析流速梯度从另一个角度分析流速梯度液体的变形液体的变形图图 微元水体运动的示意微元水体运动的示意 dudtu+du u yud yd y d 故故证明证明:液体的流速梯度即为液体的剪切变形速度液体的流速梯度即为液体的剪切变形速度 故故相邻液层之间所产生的切应力与剪切变形速度成正比相邻液层之间所产生的切应力与剪切变形速度成正比所以所以,液体的粘滞性可视为液体抵抗剪切变形的特性液体的粘滞性可视为液体抵抗剪切变形的特性 剪切变形越大，所产生内摩擦力越大剪切变形越大，所产生内摩擦力越大 对相对运动液层抵抗越大对相对运动液层抵抗越大 3 3粘滞系数粘滞系数：反映不同液体对内摩擦力的影响系数反映不同液体对内摩擦力的影响系数动力粘滞系数动力粘滞系数 量纲：量纲：F.T.L-2 单位：单位：Nsm-2 Pas 有时候用有时候用:poise(:poise(泊泊)=dyne)=dyne s scmcm-2-21 poise=0.1 Nsm-2 运动粘滞系数运动粘滞系数 量纲：量纲：L2T-1单位：单位：m2s-1 有时候用有时候用:cm2s-1 1 cm2s-1=1 stokes=0.0001 m2s-1/同一种液体中，同一种液体中，粘滞系数粘滞系数()=f(p,t)=随压力和温度变化，随压力和温度变化，但是随压力变化甚微，对温度变化较为敏感。但是随压力变化甚微，对温度变化较为敏感。对于水，可采用下列经验公式对于水，可采用下列经验公式 式中，式中，t 水温度，为水温度，为stokes；（cm2/s)下图给出了水和空气的粘滞系数随温度变化曲线。下图给出了水和空气的粘滞系数随温度变化曲线。图图 水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线 可见可见：对于水（液体）随温度上升而减少，：对于水（液体）随温度上升而减少，对于空气其随温度上升增大。对于空气其随温度上升增大。原因在于两者分子结构不同。原因在于两者分子结构不同。1.4 1.4 压缩性及压缩系数压缩性及压缩系数 1 1弹性弹性：当液体承受压力后，体积要缩小，当液体承受压力后，体积要缩小，压力撤出后也能恢复原状，这种性质称压力撤出后也能恢复原状，这种性质称为液体的弹性或压缩性。为液体的弹性或压缩性。液体的压缩性大小用体积压缩系数或弹性系数表示液体的压缩性大小用体积压缩系数或弹性系数表示2 2体积压缩系数：体积压缩系数：pp+dpVV+dV图图 液体体积的压缩示意液体体积的压缩示意 式中，式中，为体积压缩系数，为体积压缩系数，值越大，液体压缩性越大。值越大，液体压缩性越大。解释：解释：“”表示压强增大，体积缩小，表示压强增大，体积缩小，体积增量体积增量d dV V与压强增量与压强增量d dp p符号相反，符号相反，为了保证为了保证 是一个整数，前面冠以是一个整数，前面冠以“”。液体被压缩时，质量并没有改变，故液体被压缩时，质量并没有改变，故 单位：单位：(m 2N-1)=Pa-1 3 3体积弹性系数：体积弹性系数：单位：单位：Pa，kPa 物理意义物理意义：K 越大，液体越不容易压缩越大，液体越不容易压缩 K K 表示液体绝对不可压缩。表示液体绝对不可压缩。例如，在温度例如，在温度 t=20，K2.10106（kNm-2），），即每增加一个大气压，水的体积相对压缩量仅两即每增加一个大气压，水的体积相对压缩量仅两万分之一。万分之一。液体是不可压缩液体是不可压缩 特殊问题必须考虑液体压缩性特殊问题必须考虑液体压缩性例如，电站出现事故，突然关闭电站进水阀门，则例如，电站出现事故，突然关闭电站进水阀门，则进水管中压力突然升高，液体受到压缩，进水管中压力突然升高，液体受到压缩，产生的弹产生的弹性力对运动的影响不能忽视。性力对运动的影响不能忽视。1.5 1.5 表面张力表