2.1 Legea lui Bernoulli.

2.2 Legea lui Pascal.

2.3 Fluxul laminar al lichidelor.

2.4 Legea lui Poisel.

2.5 Curgerea turbulentă a lichidelor.

3.1 Măsurarea vâscozității unui lichid.

3.2 Măsurarea volumului și debitului lichidului

1. stare lichida substanțele și proprietățile lor.

Lichidele ocupă o poziție intermediară între substanțele gazoase și cele solide. La temperaturi apropiate de punctele de fierbere, proprietățile lichidelor se apropie de cele ale gazelor; la temperaturi apropiate de punctele de topire, proprietățile lichidelor se apropie de cele ale solidelor. Dacă substanțele solide sunt caracterizate printr-o ordonare strictă a particulelor, extinzându-se pe distanțe de până la sute de mii de raze interatomice sau intermoleculare, atunci într-o substanță lichidă nu există de obicei mai mult de câteva zeci de particule ordonate - acest lucru se explică prin faptul că ordonarea între particule în diferite locuri ale unei substanțe lichide apare rapid, de asemenea, precum și din nou „untată” de vibrația termică a particulelor. În același timp, densitatea totală de ambalare a particulelor unei substanțe lichide diferă puțin de cea a unei substanțe solide - prin urmare, densitatea lor este apropiată de densitate. solide, iar compresibilitatea este foarte scăzută. De exemplu, pentru a reduce volumul ocupat de apa lichidă cu 1%, este necesară aplicarea unei presiuni de ~ 200 atm, în timp ce aceeași scădere a volumului gazelor necesită o presiune de ordinul a 0,01 atm. Prin urmare, compresibilitatea lichidelor este de aproximativ 200: 0,01 = 20.000 de ori mai mică decât compresibilitatea gazelor.

S-a remarcat mai sus că lichidele au un anumit volum propriu și iau forma vasului în care se află; aceste proprietăți sunt mult mai apropiate de cele ale unui solid decât ale unei substanțe gazoase. Apropierea stării lichide de starea solidă este confirmată și de datele privind entalpiile standard de vaporizare ∆Н° test și entalpiile standard de topire ∆Н° pl. Entalpia standard de vaporizare este cantitatea de căldură necesară pentru a converti 1 mol de lichid în vapori la 1 atm (101,3 kPa). Aceeași cantitate de căldură este eliberată atunci când 1 mol de vapori se condensează într-un lichid la 1 atm. Se numește cantitatea de căldură consumată pentru transformarea a 1 mol dintr-un solid într-un lichid la 1 atm entalpie standard topire (aceeași cantitate de căldură se eliberează la „înghețare” („solidificare”) 1 mol de lichid la 1 atm). Se știe că ∆Н° pl este mult mai mică decât valorile corespunzătoare ale ∆Н° exp, ceea ce este ușor de înțeles, deoarece trecerea de la stare solidă la lichid este însoțită de o încălcare mai mică a atracției intermoleculare decât trecerea de la starea lichidă la starea gazoasă.

O serie de alte proprietăți importante ale lichidelor amintesc mai mult de proprietățile gazelor. Deci, ca și gazele, lichidele pot curge - proprietatea lor se numește fluiditate. Rezistența la curgere este determinată de vâscozitate. Fluiditatea și vâscozitatea sunt afectate de forțele atractive dintre moleculele lichide, greutatea moleculară relativă a acestora și o serie de alți factori. Vâscozitatea lichidelor este de ~100 de ori mai mare decât cea a gazelor. La fel ca gazele, lichidele pot difuza, deși mult mai încet, deoarece particulele lichide sunt împachetate mult mai dens decât particulele de gaz.

Una dintre cele mai importante proprietăți ale unui lichid este tensiunea sa superficială (această proprietate nu este inerentă nici gazelor, nici solidelor). O moleculă dintr-un lichid este supusă forțelor intermoleculare uniforme din toate părțile. Cu toate acestea, la suprafața lichidului, echilibrul acestor forțe este perturbat și, ca urmare, moleculele „de suprafață” sunt sub acțiunea unei anumite forțe rezultante îndreptate în interiorul lichidului. Din acest motiv, suprafața lichidului se află într-o stare de tensiune. Tensiunea superficială este forța minimă care restricționează mișcarea particulelor lichide în adâncimea lichidului și, prin urmare, împiedică contractarea suprafeței lichidului. Tensiunea superficială este cea care explică forma „lacrimă” a particulelor fluide care căde liber.

Datorită conservării volumului, lichidul este capabil să formeze o suprafață liberă. O astfel de suprafață este interfața de fază a unei substanțe date: pe de o parte există o fază lichidă, pe de altă parte - o fază gazoasă (abur) și, eventual, alte gaze, cum ar fi aerul. Dacă fazele lichide și gazoase ale aceleiași substanțe sunt în contact, apar forțe care tind să reducă aria interfeței - forțe tensiune de suprafata. Interfața se comportă ca o membrană elastică care tinde să se micșoreze.

Tensiunea de suprafață poate fi explicată prin atracția dintre moleculele lichide. Fiecare moleculă atrage alte molecule, caută să se „înconjoare” cu ele și, prin urmare, să părăsească suprafața. În consecință, suprafața tinde să scadă. Prin urmare, bulele de săpun și bulele în timpul fierberii tind să capete o formă sferică: pentru un volum dat, o minge are o suprafață minimă. Dacă asupra unui lichid acționează numai forțele de tensiune superficială, acesta va lua în mod necesar o formă sferică - de exemplu, picăturile de apă în imponderabilitate.

Obiectele mici cu o densitate mai mare decât densitatea unui lichid sunt capabile să „plutească” pe suprafața lichidului, deoarece forța gravitațională este mai mică decât forța care împiedică creșterea suprafeței.

umezire - fenomen de suprafață, care apare atunci când un lichid intră în contact cu o suprafață solidă în prezența aburului, adică la interfețele a trei faze. Udarea caracterizează „lipirea” unui lichid la suprafață și răspândirea pe acesta (sau, dimpotrivă, respingerea și neîmprăștierea). Există trei cazuri: neumezire, umezire limitată și umezire completă.

Miscibilitatea este capacitatea lichidelor de a se dizolva unele în altele. Un exemplu de lichide miscibile: apă și alcool etilic, un exemplu de lichide nemiscibile: apă și ulei lichid.

Când două lichide miscibile se află într-un vas, moleculele, ca urmare a mișcării termice, încep să treacă treptat prin interfață și astfel lichidele se amestecă treptat. Acest fenomen se numește difuzie (apare și în substanțele aflate în alte stări de agregare).

Un lichid poate fi încălzit peste punctul de fierbere în așa fel încât să nu aibă loc fierberea. Acest lucru necesită o încălzire uniformă, fără diferențe semnificative de temperatură în volum și fără influențe mecanice, cum ar fi vibrațiile. Dacă în lichid supraîncălzit arunca ceva, fierbe instantaneu. apă supraîncălzită ușor de introdus în cuptorul cu microunde.

Subrăcire - răcirea unui lichid sub punctul de îngheț fără a se transforma într-o stare solidă de agregare. Ca și în cazul supraîncălzirii, subrăcirea necesită absența vibrațiilor și fluctuații semnificative de temperatură.

Dacă suprafața lichidului este deplasată din poziția de echilibru, atunci sub acțiunea forțelor de restabilire, suprafața începe să se deplaseze înapoi în poziția de echilibru. Această mișcare însă nu se oprește, ci se transformă în mișcare oscilantă aproape de poziția de echilibru și se extinde în alte zone. Acest lucru creează valuri pe suprafața unui lichid.

Dacă forța de restabilire este predominant gravitațională, atunci astfel de unde se numesc unde gravitaționale. Undele gravitaționale pe apă pot fi văzute peste tot.

Dacă forța de restabilire este predominant o forță de tensiune superficială, atunci astfel de unde sunt numite capilare. Dacă aceste forțe sunt comparabile, astfel de unde se numesc unde gravitaționale capilare. Undele de pe suprafața unui lichid sunt atenuate de vâscozitate și de alți factori.

Din punct de vedere formal, pentru coexistența de echilibru a unei faze lichide cu alte faze ale aceleiași substanțe - gazoase sau cristaline - sunt necesare condiții strict definite. Deci, la o anumită presiune, este necesară o temperatură strict definită. Cu toate acestea, în natură și tehnologie, peste tot lichidul coexistă cu aburul sau, de asemenea, cu o stare solidă de agregare - de exemplu, apa cu vapori de apă și adesea cu gheață (dacă considerăm aburul ca o fază separată prezentă împreună cu aerul). Acest lucru se datorează următoarelor motive.

Stare dezechilibrată. Este nevoie de timp pentru ca lichidul să se evapore, până când lichidul s-a evaporat complet, coexistă cu vaporii. În natură, apa se evaporă în mod constant, precum și procesul invers - condensare.

volum închis. Lichidul dintr-un vas închis începe să se evapore, dar deoarece volumul este limitat, presiunea vaporilor crește, devine saturat chiar înainte ca lichidul să se evapore complet, dacă cantitatea sa a fost suficient de mare. Când se atinge starea de saturație, cantitatea de lichid evaporat este egală cu cantitatea de lichid condensat, sistemul intră în echilibru. Astfel, într-un volum limitat, se pot stabili condițiile necesare coexistenței de echilibru a lichidului și vaporilor.

Prezența atmosferei în condițiile gravitației terestre. Afectează lichidul Presiunea atmosferică(aer și abur), în timp ce pentru abur, practic doar a acestuia presiune parțială. Prin urmare, lichidul și vaporii de deasupra suprafeței sale corespund puncte diferite pe diagrama de fază, în zona de existență a fazei lichide și, respectiv, în zona de existență a gazului. Acest lucru nu anulează evaporarea, dar evaporarea necesită timp în care ambele faze coexistă. Fără această condiție, lichidele ar fierbe și s-ar evapora foarte repede.

2.1 Legea lui Bernoulli - este o consecință a legii conservării energiei pentru un flux staționar al unui fluid incompresibil ideal (adică fără frecare internă):

este densitatea fluidului, este viteza curgerii, este înălțimea la care se află elementul considerat al lichidului, este presiunea în punctul din spațiu în care se află centrul de masă al elementului considerat al lichidului, este accelerarea căderii libere.

Constanta din partea dreaptă este de obicei numită presiune, sau presiune maximă, și, de asemenea Bernoulli integral. Dimensiunea tuturor termenilor este o unitate de energie pe unitatea de volum de lichid.

Acest raport, derivat de Daniel Bernoulli în 1738, a fost numit după el. ecuația lui Bernoulli. Pentru teava orizontala h= 0 și ecuația lui Bernoulli ia forma:

.

Această formă a ecuației Bernoulli poate fi obținută prin integrarea ecuației lui Euler pentru un flux de fluid staționar unidimensional, la o densitate constantă ρ:

.

Conform legii lui Bernoulli, presiunea totală într-un flux constant de fluid rămâne constantă de-a lungul acestui flux.

Presiune maximă constă din ponderea (ρ gh), presiuni statice (p) și dinamice (ρν 2 /2).

Din legea lui Bernoulli rezultă că pe măsură ce secțiunea transversală a curgerii scade, datorită creșterii vitezei, adică a presiunii dinamice, presiunea statică scade. Acesta este motivul principal pentru efectul Magnus. Legea lui Bernoulli este valabilă și pentru fluxurile de gaze laminare. Fenomenul de scădere a presiunii cu creșterea debitului stă la baza funcționării diferitelor tipuri de debitmetre (de exemplu, un tub Venturi), pompe cu jet de apă și abur. Iar aplicarea consecventă a legii lui Bernoulli a dus la apariția unei discipline tehnice hidromecanice - hidraulica.

Legea lui Bernoulli este valabilă în forma sa pură numai pentru lichidele a căror vâscozitate este zero, adică lichidele care nu se lipesc de suprafața țevii. De fapt, s-a stabilit experimental că viteza unui lichid pe suprafața unui corp solid este aproape întotdeauna exact zero (cu excepția cazurilor de separare a jetului în anumite condiții rare).

2.2 Legea lui Pascal este formulat astfel:

Presiunea exercitată asupra unui lichid (sau gaz) în orice loc de la limita acestuia, de exemplu, de către un piston, este transmisă fără modificare în toate punctele lichidului (sau gazului).

Proprietatea de bază a lichidelor și gazelor- presiunea de transfer fără schimbare în toate direcțiile - este baza pentru proiectarea dispozitivelor și mașinilor hidraulice și pneumatice.

De câte ori aria unui piston este mai mare decât aria celuilalt, de același număr de ori mașina hidraulică oferă un câștig de rezistență.

2.3 Flux laminar(lat. lamina- placă, bandă) - un flux în care un lichid sau un gaz se mișcă în straturi fără amestecare și pulsații (adică schimbări rapide aleatorii de viteză și presiune).

Curgerea laminară este posibilă numai până la o anumită valoare critică a numărului Reynolds, după care devine turbulent. Valoarea critică a numărului Reynolds depinde de tipul specific de curgere (debit într-o țeavă rotundă, debit în jurul unei bile etc.). De exemplu, pentru un flux într-o țeavă rotundă

Numărul Reynolds este determinat de următoarea relație:

ρ este densitatea mediului, kg/m 3 ;

v- viteza caracteristica, m/s;

L- mărime caracteristică, m;

η - vâscozitatea dinamică a mediului, N*s/m2;

ν - vâscozitatea cinematică a mediului, m 2 / s ();

Q- Debitul volumetric;

A- suprafața secțiunii țevii.

Numărul Reynolds ca criteriu pentru trecerea de la fluxul laminar la cel turbulent și invers funcționează relativ bine pentru fluxurile de presiune. La trecerea la curgerile cu curgere liberă, zona de tranziție între regimurile laminare și cele turbulente crește, iar utilizarea numărului Reynolds ca criteriu nu este întotdeauna justificată. De exemplu, în rezervoare, valorile calculate formal ale numărului Reynolds sunt foarte mari, deși acolo se observă un flux laminar.

2.4 Ecuația sau legea lui Poiseuille- legea care determină debitul unui fluid într-un flux constant al unui fluid vâscos incompresibil într-o țeavă cilindrică subțire de secțiune transversală circulară.

Conform legii, al doilea debit volumetric al unui lichid este proporțional cu căderea de presiune pe unitatea de lungime a tubului (gradientul de presiune în conductă) și puterea a patra a razei (diametrului) conductei:

• Q- fluxul de fluid în conductă;
• D- diametrul conductei;
• v- viteza fluidului de-a lungul conductei;
• r- distanta fata de axa conductei;
• R- raza conductei;
• p 1 − p 2 - diferenta de presiune la intrarea si iesirea din conducta;
• η este vâscozitatea lichidului;
• L- lungimea conductei.

Legea lui Poiseuille funcționează numai pentru fluxul laminar și cu condiția ca lungimea tubului să depășească așa-numita lungime a secțiunii inițiale, care este necesară pentru dezvoltarea fluxului laminar în tub.

Curgerea Poiseuille este caracterizată printr-o distribuție a vitezei parabolice de-a lungul razei tubului. În fiecare secțiune transversală a tubului viteza medie jumătate din viteza maximă din această secțiune.

2.5 T urbulent t(din latină turbulentus - turbulent, haotic), formă a curgerii unui lichid sau gaz, în care elementele lor efectuează mișcări dezordonate, instabile de-a lungul traiectoriilor complexe, ceea ce duce la amestecarea intensă între straturi de lichid sau gaz în mișcare (vezi Turbulența) . T. t. în conducte, canale, straturi limită din apropierea solidelor curgete în jur de lichid sau gaz, precum și așa-numitele. T. t. liberă - jeturi, urme din spatele solidelor care se deplasează față de un lichid sau gaz și zone de amestecare între fluxuri de viteze diferite care nu sunt separate prin c.-l. ziduri solide. T. t. diferă de fluxurile laminare corespunzătoare atât prin structura lor internă complexă (Fig. 1), cât și prin distribuția vitezei medii pe secțiunea de curgere și caracteristicile integrale - dependența mediei pe secțiune sau max. viteza, debitul, precum și coeficientul. rezistență de la numărul Reynolds Re. Profilul vitezei medii a unui termometru în conducte sau canale diferă de parabolic. profilul fluxului laminar corespunzător cu o creștere mai rapidă a vitezei în apropierea pereților și o curbură mai mică spre centru. părți ale fluxului (Fig. 2). Cu excepția unui strat subțire lângă perete, profilul vitezei este descris de o lege logaritmică (adică viteza depinde liniar de logaritmul distanței până la perete). Coeficient de rezistenta:

- tensiune de frecare pe perete,
este densitatea lichidului,
- viteza sa, medie pe secțiunea de curgere) este legată de Re prin raport

Profilul vitezei medii: a - pentru flux laminar, 6 - pentru curgere turbulent.

3.1 Măsurarea vâscozității fluidelor .

Vâscozitatea cinematică este o măsură a curgerii unui fluid rezistiv sub influența gravitației. Când două lichide de volum egal sunt plasate în viscozimetre capilare identice și se deplasează prin gravitație, lichidul vâscos durează mai mult să curgă prin capilar. Dacă un fluid durează 200 de secunde pentru a curge și altul durează 400 de secunde, al doilea fluid este de două ori mai vâscos decât primul pe scala de vâscozitate cinematică.

Vâscozitatea absolută, numită uneori vâscozitate dinamică sau simplă, este produsul dintre vâscozitatea cinematică și densitatea fluidului:
Vâscozitate absolută = Vâscozitate cinematică * Densitate
Dimensiunea vâscozității cinematice este L 2 /T, unde L este lungimea și T este timpul). SI UNIT vascozitate cinematica - 1 cSt (centiStokes)=mm 2 /s. Vâscozitatea absolută este exprimată în centipoise (cPoise). SI UNITATEA de vascozitate absoluta - milipascal secunda 1 MPa * s = 1 cPas.

Un dispozitiv pentru măsurarea vâscozității se numește vâscozimetru. Viscozimetrele pot fi clasificate în trei tipuri principale:

DAR. Vâscozimetrele capilare măsoară debitul unui volum fix de lichid printr-un orificiu mic la o temperatură controlată. Viteza de forfecare poate fi măsurată de la aproximativ zero la 106 s -1 prin modificarea diametrului capilar și a presiunii aplicate. Tipuri de viscozimetre capilare și modurile lor de funcționare:
Vâscozimetru capilar din sticlă (ASTM D 445) - Lichidul trece printr-o gaură cu un diametru stabilit sub influența gravitației. Rata de forfecare este mai mică de 10 s -1 . Vâscozitatea cinematică a tuturor uleiurilor de automobile este măsurată cu vâscozimetre capilare.
Viscozimetru capilar de înaltă presiune (ASTM D 4624 și D 5481) - Un volum fix de lichid este extrudat printr-un capilar de sticlă cu diametru sub acțiunea unei presiuni de gaz aplicate. Rata de forfecare poate fi modificată până la 106 s -1. Această tehnică este folosită în mod obișnuit pentru a modela vâscozitatea uleiurilor de motor în rulmenții principali de lucru. Această vâscozitate se numește vâscozitate la temperatura ridicatași forfecare înaltă (HTHS) și se măsoară la 150°C și 106 s-1. Vâscozitatea HTHS este măsurată și cu un simulator de rulmenți conici, ASTM D 4683 (vezi mai jos).

B. Viscozimetrele rotative folosesc cuplul pe un arbore rotativ pentru a măsura rezistența fluidului la curgere. Vâscozimetrele rotative includ simulatorul de pornire la rece (CCS), mini-vâscozimetrul rotațional (MRV), viscozimetrul Brookfield și simulatorul de rulmenți conici (TBS). Viteza de forfecare poate fi modificată prin modificarea dimensiunilor rotorului, a distanței dintre rotor și peretele statorului și a vitezei de rotație.
Simulator Cold Scroll (ASTM D 5293) - CCS măsoară vâscozitatea aparentă în intervalul de la 500 la 200.000 cPas. Viteza de forfecare este cuprinsă între 104 și 105 s -1 . intervalul normal Temperatura de Operare- de la 0 la -40°C. CCS a arătat o corelație excelentă cu pornirea motorului la temperaturi scăzute. Clasificarea de vâscozitate SAE J300 definește performanța de vâscozitate la temperaturi scăzute a uleiurilor de motor prin limitele CCS și MRV.

Mini viscozimetru rotativ (ASTM D 4684) - Testul MRV, care este legat de mecanismul de pompare a uleiului, este o măsurătoare la viteză scăzută de forfecare. caracteristica principală metoda - viteză lentă de răcire a probei. Proba este pregătită pentru a avea un istoric termic specific care include încălzire, răcire lentă și cicluri de impregnare. MRV măsoară stresul rezidual aparent, care, dacă este mai mare decât o valoare de prag, indică o potențială problemă de defecțiune a pompei din cauza intruziunii de aer. Peste o anumită vâscozitate (definită în prezent ca 60.000 centipoise SAE J 300), uleiul poate cauza defecțiuni de pompare printr-un mecanism numit „efect de curgere limitată”. Un ulei SAE 10W, de exemplu, ar trebui să aibă o vâscozitate maximă de 60.000 cPas la -30°C fără stres rezidual. Această metodă măsoară, de asemenea, vâscozitatea aparentă la viteze de forfecare de la 1 la 50 s -1.
Vâscozimetru Brookfield - determină vâscozitatea pe o gamă largă (de la 1 la 105 Poise) la viteze de forfecare scăzute (până la 102 s -1).
ASTM D 2983 este utilizat în principal pentru a determina vâscozitatea la temperatură scăzută a uleiurilor de viteze pentru automobile, uleiurilor de transmisie automată, uleiurilor hidraulice și uleiurilor de tractor. Temperatura - testarea variază de la -5 la -40°C.
ASTM D 5133, metoda Brookfield Scan, măsoară vâscozitatea Brookfield a unei probe atunci când este răcită la o viteză constantă de 1°C/oră. La fel ca MRV, metoda ASTM D 5133 este concepută pentru a determina pompabilitatea unui ulei la temperaturi scăzute. Acest test determină punctul de nucleare, definit ca temperatura la care proba atinge o viscozitate de 30.000 cPas. Indicele de nucleare este, de asemenea, definit ca cea mai mare rată de creștere a vâscozității de la -5°C la cea mai scăzută temperatură de testare. Această metodă își găsește aplicare în uleiurile de motor și este cerută de ILSAC GF-2. Simulator de rulmenți conici (ASTM D 4683) - Această tehnică măsoară și vâscozitatea uleiurilor de motor la temperatură ridicată și forfecare ridicată (vezi Viscozimetru capilar de înaltă presiune). Se obțin viteze de forfecare foarte mari datorită spațiului extrem de mic dintre rotor și peretele statorului.

Indicele de vâscozitate (VI) este un număr empiric care indică gradul de modificare a vâscozității unui ulei într-un interval de temperatură dat. Un VI mare înseamnă o modificare relativ mică a vâscozității cu temperatura, iar un VI scăzut înseamnă o modificare mare a vâscozității cu temperatura. Majoritatea uleiurilor de bază minerale au un VI între 0 și 110, dar uleiul polimeric (multigrage) VI depășește adesea 110.
Pentru a determina indicele de vâscozitate, este necesar să se determine vâscozitatea cinematică la 40°C și 100°C. După aceea, IV este determinat din tabelele conform ASTM D 2270 sau ASTM D 39B. Deoarece VI este determinat din viscozitatea la 40°C și 100°C, nu este legat de temperatura scăzută sau de viscozitatea HTHS. Aceste valori sunt obținute folosind CCS, MRV, viscozimetru Brookfield de temperatură joasă și viscozimetre cu forfecare mare.
SAE nu a folosit IV pentru a clasifica uleiurile de motor din 1967, deoarece termenul este învechit din punct de vedere tehnic. Cu toate acestea, metoda American Petroleum Institute API 1509 descrie un sistem de clasificare a uleiului de bază folosind VI ca unul dintre câțiva parametri pentru a asigura principiile interschimbabilității uleiului și universalitatea scalei de vâscozitate.

3.2.Măsurarea volumului și debitului de lichid.

Pentru măsurarea debitului de lichide se folosesc debitmetre bazate pe diverse principii de funcționare: debitmetre cu diferență de presiune variabilă și constantă, nivel variabil, electromagnetice, ultrasonice, vortex, termice și cu turbină.

Pentru măsurarea cantității de substanță se folosesc debitmetre cu integratori sau contoare. Integratorul însumează continuu citirile dispozitivului, iar cantitatea de substanță este determinată de diferența dintre citirile sale pe perioada necesară de timp.

Măsurarea debitului și cantității este o sarcină complexă, deoarece proprietățile fizice ale debitelor măsurate afectează citirile instrumentelor: densitate, vâscozitate, raportul de fază în flux etc. Proprietăți fizice debitele măsurate, la rândul lor, depind de condițiile de funcționare, în principal de temperatură și presiune.

Dacă condițiile de funcționare ale debitmetrului diferă de condițiile în care a fost calibrat, atunci eroarea în citirile dispozitivului poate depăși semnificativ valoarea admisă. Prin urmare, pentru dispozitivele produse în serie, au fost stabilite limitări pentru domeniul de aplicare a acestora: în funcție de proprietățile debitului măsurat, temperatura maximași presiune, conținutul de particule solide sau gaze din lichid etc.

Debitmetre cu presiune variabilă

Funcționarea acestor debitmetre se bazează pe apariția unei căderi de presiune pe dispozitivul de îngustare din conductă atunci când trece un flux de lichid sau gaz prin acesta. Când se modifică debitul Q, se modifică și valoarea acestei căderi de presiune?p.

Pentru unele dispozitive de îngustare ca convertoare de debit în presiune diferențială, coeficientul de transfer este determinat experimental, iar valorile acestuia sunt rezumate în tabele speciale. Astfel de dispozitive de îngustare sunt numite standard.

Cel mai simplu și mai comun dispozitiv de constricție este diafragma.Diafragma standard este un disc subțire cu o gaură rotundă în centru. Coeficientul de transmisie al diafragmei depinde în mod esențial de rezistența diafragmei și în special de marginea de intrare a orificiului. Prin urmare, diafragmele sunt realizate din materiale rezistente chimic la mediul măsurat și rezistente la uzura mecanică. Pe lângă diafragmă, o duză Venturi și o conductă Venturi sunt, de asemenea, folosite ca dispozitive standard de îngustare, care creează o rezistență hidraulică mai mică în conductă.

Orificiul unui debitmetru cu presiune diferențială variabilă este un convertor primar în care debitul este convertit într-o presiune diferențială.

Manometrele de presiune diferențială servesc ca convertoare intermediare pentru debitmetrele cu presiune variabilă. Manometrele diferențiale sunt conectate la dispozitivul de îngustare prin tuburi de impuls și sunt instalate în imediata apropiere a acestuia. Prin urmare, debitmetrele cu presiune variabilă folosesc de obicei manometre de presiune diferenţială echipate cu un convertor intermediar pentru transmiterea rezultatelor măsurătorilor către scutul operatorului (de exemplu, manometre de presiune diferenţială cu diafragmă DM).

Ca și la măsurarea presiunii și a nivelului, vasele de separare și separatoarele cu membrană sunt utilizate pentru a proteja manometrele de presiune diferențială de efectele agresive ale mediului măsurat.

O caracteristică a convertoarelor primare ale contoarelor de cădere de presiune variabilă este dependența pătratică a căderii de presiune de debitul. Pentru ca citirile dispozitivului de măsurare al debitmetrului să depindă liniar de debit, în circuitul de măsurare al debitmetrelor cu presiune variabilă este introdus un traductor de liniarizare. Un astfel de convertor este, de exemplu, un bloc de liniarizare în convertorul intermediar NP-PZ. Cu o conexiune directă a unui manometru diferențial cu un dispozitiv de măsurare (de exemplu, KSD), liniarizarea se realizează în dispozitivul însuși folosind un model cu o caracteristică pătratică.

Debitmetre cu presiune diferențială constantă

Debitul unui lichid sau gaz poate fi măsurat și la o presiune diferențială constantă. Pentru a menține o cădere constantă de presiune atunci când debitul prin orificiu se modifică, este necesar să se schimbe automat zona secțiunii sale de curgere. Cel mai simplu mod este schimbarea automată a zonei de curgere în rotametru.

Rotametrul este un tub conic vertical care conține un flotor. Debitul Q măsurat, care trece prin rotametru de jos în sus, creează o diferență de presiune înainte și după plutitor. Această diferență de presiune, la rândul său, creează o forță de ridicare care echilibrează greutatea flotorului.

Dacă debitul prin rotametru se modifică, atunci se va modifica și căderea de presiune. Acest lucru va duce la o modificare a portanței și, în consecință, la un dezechilibru în plutire. Flotitorul va începe să se amestece. Și deoarece tubul rotametrului este conic, aria secțiunii de trecere din spațiul dintre flotor și tub se va modifica, ca urmare, scăderea de presiune se va modifica și, prin urmare, forța de ridicare. Când diferenţa de presiune şi forta de ridicare va reveni din nou la valorile anterioare, plutitorul se va echilibra și se va opri.

Astfel, fiecare valoare a debitului prin rotametrul Q corespunde unei anumite poziții a flotorului. Deoarece pentru un tub conic aria spațiului inelar dintre acesta și flotor este proporțională cu înălțimea ridicării sale, scara rotametrului este uniformă.

Industria produce rotametre cu tuburi din sticlă și metal. Pentru rotametrele cu tub de sticlă, scara este imprimată direct pe suprafața tubului. Pentru măsurarea de la distanță a poziției unui flotor într-un tub metalic, convertoarele intermediare de deplasare liniară sunt utilizate într-un semnal electric sau pneumatic unificat.

La rotametrele cu semnal electric de ieșire, pistonul traductorului transformatorului diferențial se mișcă odată cu plutitorul. Debitmetrele cu semnal de ieșire pneumatic utilizează un cuplaj magnetic pentru a transmite poziția de plutire către transmițător. Este format din două magneți permanenți. Unul - dublu - se deplasează împreună cu plutitorul, celălalt, montat pe pârghia convertizorului de presiune de deplasare la aer comprimat, se deplasează împreună cu pârghia după primul magnet.

Rotametrele sunt, de asemenea, disponibile pentru măsurarea fluxului de medii foarte agresive. Rotametrele sunt furnizate cu o manta pentru incalzirea cu abur. Sunt concepute pentru a măsura fluxul de medii de cristalizare.

Debitmetre cu nivel variabil

Din hidraulice se știe că, dacă lichidul curge liber prin orificiul din fundul rezervorului, atunci debitul său Q și nivelul din rezervor H sunt interconectate. Prin urmare, după nivelul din rezervor, se poate aprecia debitul din acesta.

Acest principiu stă la baza funcționării debitmetrelor cu nivel variabil. Este evident că rolul convertorului primar aici este jucat de rezervorul însuși cu o gaură în partea de jos. Semnalul de ieșire al unui astfel de convertor este nivelul din rezervor. Prin urmare, oricare dintre manometrele considerate poate servi ca convertor intermediar al circuitului de măsurare al debitmetrului cu nivel variabil.

Contoarele de nivel variabil sunt utilizate în mod obișnuit pentru a măsura debitul de lichide agresive și contaminate atunci când acestea sunt descărcate în rezervoare la presiunea atmosferică.

Debitmetre electromagnetice

Funcționarea debitmetrelor electromagnetice se bazează pe lege inductie electromagnetica, conform căreia e va fi indus într-un conductor care se mișcă într-un câmp magnetic. d.s., proporțional cu viteza conductorului. În debitmetrele electromagnetice, rolul unui conductor este îndeplinit de un lichid conductor electric care curge prin conducta 1 și traversează câmpul magnetic 3 al unui electromagnet 2. În acest caz, un e va fi indus în lichid. d.s. U, proporțional cu viteza de mișcare a acestuia, adică cu debitul lichidului.

Semnalul de ieșire al unui astfel de convertor primar este preluat de doi electrozi izolați 4 și 6 instalați în peretele conductei. Secțiunea conductei de pe ambele părți ale electrozilor este acoperită cu izolație electrică 7 pentru a preveni manevra e indusă. d.s. prin lichid și peretele conductei.

Gradul de agresivitate al mediilor măsurate pentru debitmetre electromagnetice este determinat de materialul izolator al conductei și electrozii convertorului primar. În debitmetre se utilizează în acest scop cauciucul, emailul rezistent la acizi și fluoroplastic. Cel mai rezistent la mediile agresive este un debitmetru cu un strat izolator fluoroplastic și electrozi de fluoroplast grafitizat.

În timpul funcționării debitmetrelor, zero și calibrarea dispozitivului trebuie verificate periodic, cel puțin o dată pe săptămână. Pentru a verifica convertizorul primar este umplut cu lichidul măsurat. După aceea, comutatorul modului de funcționare de pe panoul frontal al unității de măsură este mutat în poziția „Măsurare” și indicatorul dispozitivului de măsurare este setat la zero cu potențiometrul „Zero”. Când comutatorul este mutat în poziția „Calibrare”, săgeata dispozitivului ar trebui să se oprească la 100%. În caz contrar, săgeata este adusă la acest reper de potențiometrul „Calibrare”.

O caracteristică distinctivă a debitmetrelor electromagnetice este absența pierderilor de presiune suplimentare în zonă. măsurători. Acest lucru se datorează absenței pieselor care ies în țeavă. O proprietate deosebit de valoroasă a unor astfel de debitmetre, spre deosebire de alte tipuri de debitmetre, este capacitatea de a măsura debitul de lichide și nămoluri agresive, abrazive și vâscoase.

Debitmetre cu ultrasunete

Funcționarea acestor debitmetre se bazează pe adăugarea vitezei de propagare a ultrasunetelor în lichid și a vitezei curgerii lichidului în sine. Emițătorul și receptorul impulsurilor ultrasonice ale debitmetrului sunt situate la capetele secțiunii de măsurare a conductei. Unitatea electronică conține un generator de impulsuri și un contor de timp pentru ca impulsul să parcurgă distanța dintre emițător și receptor.

Înainte de începerea funcționării, debitmetrul este umplut cu lichid, al cărui debit va fi măsurat și se determină timpul necesar pulsului pentru a parcurge această distanță într-un mediu stagnant. Când fluxul se mișcă, viteza acestuia se va aduna cu viteza ultrasunetelor, ceea ce va duce la o scădere a timpului de călătorie a pulsului. De această dată, convertită în bloc într-un semnal de curent unificat, va fi cu cât mai mic, cu atât debitul este mai mare, adică cu atât consumul Q este mai mare.

Debitmetrele cu ultrasunete au aceleași avantaje ca și debitmetrele electromagnetice și, în plus, pot măsura debitul de lichide neconductoare.

Contoare vortex

Funcționarea unor astfel de debitmetre se bazează pe apariția vârtejurilor atunci când un flux întâlnește un corp neraționalizat. În timpul funcționării debitmetrului, vârtejurile sunt desprinse alternativ din părțile opuse ale corpului situate peste flux. Frecvența de separare a vârtejului este direct proporțională cu viteza curgerii, adică cu debitul său volumetric Q. La locul vârtejului, viteza curgerii crește, iar presiunea scade. Prin urmare, frecvența formării vârtejurilor poate fi măsurată, de exemplu, cu un manometru, a cărui ieșire electrică este alimentată la un contor de frecvență.

Debitmetre termice

Debitmetrul termic constă dintr-un încălzitor 1 și doi senzori de temperatură 2 și 3, care sunt instalați în afara tubului 4 cu debitul măsurat. La putere constantăîncălzitor, cantitatea de căldură preluată de la acesta de flux va fi, de asemenea, constantă. Prin urmare, cu o creștere a debitului Q, încălzirea debitului va scădea, ceea ce este determinat de diferența de temperatură măsurată de senzorii de temperatură 3 și 2. Pentru a măsura debite mari, nu se măsoară întregul debit Q, ci doar acesta. partea Q1, care este trecută prin tubul 4. Acest tub oprește secțiunea conductei 5, echipată cu un șoc 6. Aria de curgere a șocului determină limita superioară a intervalului de debite măsurate: cu cât această secțiune este mai mare, cu atât este mai mare. se poate măsura debitul (la aceeași putere a încălzitorului).

Contoare cu turbină

În astfel de debitmetre, debitul măsurat antrenează un rotor care se rotește în rulmenți. Viteza de rotație a rotorului este proporțională cu debitul, adică debitul Q. Pentru a măsura viteza de rotație a rotorului, carcasa acestuia este realizată dintr-un material nemagnetic. Un convertor de transformator diferenţial este instalat în afara carcasei, iar o margine este realizată dintr-un material feromagnetic la una dintre paletele turbinei. Când această lamă trece pe lângă convertor, reactanța sa inductivă se modifică și, cu o frecvență proporțională cu debitul Q, se modifică tensiunea pe înfășurările secundare U out. Instrument de masurare Un astfel de debitmetru este un contor de frecvență care măsoară frecvența schimbărilor de tensiune.

Contoare de viteză

Aceste contoare sunt similare ca design cu debitmetrele cu turbină. Diferența dintre ele constă în faptul că viteza de rotație a turbinei este măsurată în debitmetre, iar numărul de rotații este măsurat în metri, care este apoi convertit în cantitatea de lichid care a trecut prin contor pentru interval de timp care ne interesează, de exemplu, pe lună.

Lichidul, ocupând o poziție intermediară între gaze și cristale, combină proprietățile ambelor tipuri de aceste corpuri..

1. Ca un solid, un lichid usor compresibil datorită aranjamentului dens al moleculelor. (Cu toate acestea, dacă apa ar putea fi complet eliberată din compresie, atunci nivelul apei din oceanul mondial s-ar ridica cu 35 m, iar apa ar inunda 5.000.000 km 2 de pământ.)

2. Ca un solid, un lichid economisește volum dar ca un gaz ia forma unui vas .

3. Pentru cristale tipic comanda pe termen lungîn aranjarea atomilor (rețeaua cristalină), pentru gaze- plin haos. Pentru lichid există o stare intermediară comandă pe distanță scurtă , adică este ordonată dispunerea doar a celor mai apropiate molecule. La o distanță de 3-4 diametre moleculare efective de această moleculă, ordonarea este neclară. Prin urmare, lichidele sunt aproape de corpurile policristaline, formate din cristale foarte mici (aproximativ 10  9 m), orientate în mod arbitrar unul față de celălalt. Datorită acestui fapt, proprietățile majorității lichidelor sunt aceleași în toate direcțiile (și nu există anizotropie, ca în cristale).

4. Majoritatea lichidelor, ca și solidele, cu creșterea temperaturii crește volumul acestora , reducând în același timp densitatea acestuia (la o temperatură critică, densitatea unui lichid este egală cu densitatea vaporilor acestuia). Apă e diferit celebru anomalie , constând în faptul că la +4 С apa are o densitate maximă. Această anomalie se explică prin faptul că moleculele de apă sunt parțial asamblate în grupuri de mai multe molecule (clustere), formând molecule mari deosebite. H 2 O, (H 2 O) 2 , (H 2 O) 3 … cu densitate diferită. La diferite temperaturi, raportul dintre concentrațiile acestor grupuri de molecule este diferit.

Exista corpuri amorfe (sticlă, chihlimbar, rășini, bitum...), care sunt de obicei considerate lichide suprarăcite cu un coeficient de vâscozitate foarte mare. Au aceleași proprietăți în toate direcțiile (izotrope), ordine pe distanță scurtă în aranjarea particulelor, nu au un punct de topire (atunci când sunt încălzite, substanța se înmoaie treptat și trece în stare lichidă).

Folosit în tehnologie fluide magnetice - acestea sunt lichide obișnuite (apă, kerosen, diferite uleiuri), în care (până la 50%) sunt introduse cele mai mici particule (dimensiuni de câțiva microni) dintr-un material feromagnetic solid (de exemplu, Fe 2 O 3). Mișcarea unui ferofluid și vâscozitatea acestuia pot fi controlate de un câmp magnetic. În cei puternici campuri magnetice fluidul magnetic se întărește instantaneu.

Unele substanțe organice, ale căror molecule au formă filamentoasă sau formă de plăci plate, se pot afla într-o stare specială, având atât proprietățile de anizotropie, cât și de fluiditate. Sunt chemați cristale lichide . Pentru a schimba orientarea moleculelor unui cristal lichid (în acest caz, transparența acestuia se modifică), este necesară o tensiune de aproximativ 1 V și o putere de ordinul microwaților, care pot fi furnizate prin alimentarea directă a semnalelor din circuitele integrate. fără amplificare suplimentară. Prin urmare, cristalele lichide sunt utilizate pe scară largă în indicatoarele electronice de ceas, calculatoarele și afișajele.

La îngheț, apa crește în volum cu 11%, iar dacă apa îngheață într-un spațiu închis se poate ajunge la o presiune de 2500 de atmosfere (conductele de apă, rocile sunt distruse...).

retrageri unul dintre cele mai mari: 1) constanta dielectrică(prin urmare, apa este un bun solvent, în special sărurile cu legături ionice - întregul tabel periodic este conținut în Oceanul Mondial); 2) căldură de fuziune(topirea lentă a zăpezii primăvara); 3) căldură vaporizare; 4) tensiune de suprafata; 5) capacitate termică(clima de coastă blândă).

Există ușoară (1 g/cm 3) și greu (1,106 g/cm3) apă . Apa ușoară („vie”) - activă biologic - este oxid de protiu H 2 O. Apa grea ("moarta") - suprima activitatea vitala a organismelor - este oxid de deuteriu D 2 O. Protium (1 amu), deuteriu (2 amu) și tritiu (3 amu) sunt izotopi ai hidrogenului. Există, de asemenea, 6 izotopi ai oxigenului: de la 14 O pana la 19 O care poate fi găsit într-o moleculă de apă.

În tratarea apei camp magnetic proprietățile sale se modifică: umecbilitatea solidelor se modifică, dizolvarea lor se accelerează, se modifică concentrația gazelor dizolvate, se previne formarea depunerilor în cazanele cu abur, întărirea betonului este accelerată de 4 ori și rezistența acestuia crește cu 45%, există un efect biologic asupra oamenilor (brățări și cercei magnetici, magnetofori etc.) și a plantelor (germinația și recolta crește).

apa argintie poate fi păstrat timp îndelungat (aproximativ șase luni), deoarece apa este neutralizată de microbi și bacterii de către ionii de argint (este folosită în astronautică, pentru conservarea alimentelor, dezinfectarea apei din piscine, în scopuri medicinale pentru prevenirea și combaterea bolilor gastrointestinale și procese inflamatorii).

Dezinfectarea apei potabile în conductele de apă ale orașului realizat prin clorarea si ozonarea apei. Există și metode fizice de dezinfecție folosind radiații ultraviolete și ultrasunete.

Solubilitatea gazelor în apă depinde de temperatură, presiune, salinitate, prezența altor gaze în soluția apoasă. În 1 litru de apă la 0 С se pot dizolva: heliu - 10 ml, dioxid de carbon - 1713 ml, hidrogen sulfurat - 4630 ml, amoniac - 1300000 ml (amoniac). Când se scufundă la adâncimi mari, scafandrii folosesc amestecuri speciale pentru respirație, astfel încât atunci când urcă, să nu primească „sânge carbonatat” din cauza dizolvării azotului din acesta.

Toate organisme vii 60-80% apă. Sângele oamenilor și animalelor este asemănător ca compoziție de sare cu apa oceanului. Omul și animalele pot sintetiza apa în corpurile lor, o pot forma în timpul arderii produselor alimentare și a țesuturilor în sine. La o cămilă, de exemplu, grăsimea conținută în cocoașă poate, ca urmare a oxidării, să dea 40 de litri de apă.

La electroliză se pot obține două tipuri de apă: 1) apă acidă („moartă”), care acționează ca un antiseptic (asemănător câți microbi patogeni mor în sucul gastric acid); 2) apa alcalină („vie”), care activează procesele biologice (crește productivitatea, vindecă mai repede rănile etc.).

Puteți afla despre alte caracteristici ale apei (structurate, energetic-informaționale etc.) de pe Internet.

TRIZ sarcina 27. Lucrător cu apă

Cel mai adesea, diferite mecanisme au „stare solidă” organele de lucru. Dați exemple de dispozitive tehnice în care corpul de lucru este apă (lichid). Cu ce ​​legi de dezvoltare a sistemelor tehnice corespunde un astfel de organism de lucru?

TRIZ sarcina 28. Apă într-o sită

În celebra problemă Cum să transporti apa într-o sită? există un explicit contradicție fizică: ar trebui să existe găuri în sită, astfel încât solidele în vrac să poată fi cernute prin ea și să nu existe găuri pentru ca apa să nu se reverse. Una dintre posibilele soluții la această problemă poate fi găsită în Ya.I. Perelman în „Entertaining Physics”, unde se propune să coboare sita în parafină topită, astfel încât plasa site-ului să nu fie umezită cu apă. Bazat tehnici de eliminare tehniceși contradicții fizice sugerează alte 10-20 de moduri de a rezolva această problemă.

Ordine pe distanță scurtă (fluiditate, incompresibilitate, cvasicristalinitate, energia potențială a moleculelor).

tensiune de suprafata.

Presiune sub o suprafață curbată.

Udare.

fenomene capilare.

Tensiune de suprafata.

Energia potențială a unei molecule în interiorul unui lichid este mai mică decât în ​​afara lichidului. Stratul de suprafață se află în condiții diferite. Pentru a transfera molecule la suprafață, trebuie depășită o anumită barieră potențială.

r- raza de acţiune moleculară (sfera de acţiune moleculară).

Forța rezultată în interiorul lichidului este 0. Pe suprafața gazului - acțiunea acestuia poate fi neglijată. Forța rezultată este redusă. Întregul strat situat lângă suprafața lichidului este supus forțelor direcționate în mod normal în lichid. Stratul de suprafață exercită presiune asupra lichidului - presiune moleculară.

Masa fluidului, asupra căreia nu este acționată de forțele externe, trebuie să capete o formă sferică. Dintre toate corpuri geometrice O sferă are cea mai mică suprafață pentru un anumit volum. Suprafața unui lichid este ca o peliculă întinsă. Pentru a întinde un film, în mod normal, trebuie aplicată o forță la limita acestuia tangentă la suprafața lichidului, numită forță de tensiune superficială. Aceste forțe sunt cu atât mai mari, cu atât lungimea limitei filmului este mai mare:

- coeficientul tensiunii superficiale. DINTși

. LaT

T Creta.

0 . Lăsa

- o platformă.

- lucrează pentru a-și crea putereaF.

apoi

Această lucrare are rolul de a crește energia filmului:

Energia tensiunii superficiale.

Energie - este o parte energie interna film, care este transformat în lucru în timpul unui proces izoterm.

Energie gratis

Tensiunea superficială explică: formarea picăturilor:

Pentru o picătură:

Presiune sub suprafață curbată

Luați în considerare suprafața lichidului, pe baza unui contur plat.

Dacă suprafața lichidului nu este plată, atunci tendința sa de a se contracta va duce la adăugarea de presiune în raport cu lichidul plat.

În cazul unei suprafețe convexe, această presiune este pozitivă, în cazul uneia concave, este negativă.

Calcula

pentru o suprafață lichidă sferică.

Din cauza tensiunii superficiale, ambele emisfere sunt atrase.

Aceste forțe presează ambele emisfere pe suprafață și provoacă o presiune suplimentară:

Curbura suprafetei:

În geometrie, se demonstrează că jumătatea razelor de curbură reciproce ale oricărei perechi de secțiuni reciproc perpendiculare are aceeași valoare. H :

Pentru sferă: R 1 = R 2 = R :

Laplace a demonstrat că formulele sunt valabile pentru o suprafață de orice formă, dacă prin H se înțelege curbura medie a suprafeței în punctul în care se determină presiunea suplimentară.

Curbura medie

Formula Laplace

Presiunea suplimentară modifică nivelul lichidului în tuburile înguste (capilare), care se numește uneori presiune capilară.

Plutirea corpurilor mici la suprafață se explică prin presiunea Laplace.

umezire

Când se iau în considerare fenomene la granița lichid-solid, este necesar să se ia în considerare energia totală de suprafață a două substanțe.

Dacă se învecinează trei substanțe: lichid, solid și gaz. Atunci întreaga configurație corespunde energie totală minimă (suprafață, în câmp lichid).

Unghiul dintre suprafața unui solid și tangenta la lichid - unghiul marginii.

În cazul în care un mai puțin de π/2 lichidul udă corpul.

În cazul în care un mai mult de π/2 lichidul nu udă corpul.

La umezire totală zero.

La

neumezire completă.

Neumezirea poate duce la fenomene curioase: un ac nu se scufundă în grăsime. La fel, puteți transporta apă într-o sită dacă sita nu este umezită de apă (acoperiți firele sitei cu parafină), dacă nu este multă apă.

Fenomene capilare

Existenta unghiului de contact duce la curbura suprafetei lichide in apropierea peretilor vasului. Într-un tub capilar îngust, suprafața se dovedește a fi curbată.

Lichidul udă suprafața:

Dacă lichidul nu se udă:

Dacă suprafața lichidului este curbată, atunci forțele de tensiune superficială creează o presiune suplimentară asupra lichidului:

În acest fel, presiune totală este egal cu:

capilară, presiune laplaciană.

Dacă capilarul este scufundat cu un capăt într-un lichid, atunci când capilarul este umezit, nivelul lichidului va fi mai mare decât nivelul din vas, iar atunci când nu este umezit, acesta va fi mai scăzut.

Modificarea înălțimii nivelului în tuburile înguste - capilaritate.

Dacă capilarele sunt sectiune rotunda, apoi:

și

Dacă capilarul este mic, atunci cu umezire completă

:

R = r

Lichid - stare de agregare a materiei, intermediară între solid și gazos. Lichidele au proprietatea inerentă a solidelor - de a-și păstra volumul, de a forma o suprafață, de transparență, de rezistență la tracțiune. Gaze: iau forma unui vas, se transformă continuu într-un gaz fără sărituri.

O serie de caracteristici specifice numai ei: Caracteristică - fluiditate. Lichidele sunt aproape incompresibile. Testarea fluidelor cu raze X a aratat ca structura interna au multe în comun cu structura solidelor.

În aranjamentul particulelor lichide, există comandă pe distanță scurtă .

stare lichida este intermediar între gazos și cristalin. Conform unor proprietăți, lichidele sunt aproape de gaze, în conformitate cu altele - de solide.

Apropie lichidele de gaze, în primul rând, izotropia și fluiditatea lor. Acesta din urmă determină capacitatea lichidului de a-și schimba cu ușurință forma.

Cu toate acestea, densitatea mare și compresibilitatea scăzută a lichidelor le apropie la solide.

Lichid poate detecta proprietăți mecanice, inerente unui corp solid. Dacă timpul de acțiune al forței asupra lichidului este scurt, atunci lichidul prezintă proprietăți elastice. De exemplu, dacă un băț este lovit puternic de suprafața apei, bățul se poate zbura din mână sau se poate rupe.

O piatra poate fi aruncata in asa fel incat atunci cand loveste suprafata apei sa sara de ea si abia dupa ce face cateva sarituri se scufunda in apa.

Dacă timpul de expunere la lichid este mare, atunci în loc de elasticitate, curgerea lichidului. De exemplu, mâna pătrunde ușor în apă.

Abilitatea lichidelor de a-și schimba cu ușurință forma indică absența forțelor dure de interacțiune intermoleculară în ele .

În același timp, compresibilitatea scăzută a lichidelor, care determină capacitatea de a menține un volum constant la o anumită temperatură, indică prezența deși nu rigide, dar totuși forțe semnificative de interacțiuneîntre particule.

Raportul dintre energia potențială și cinetică

Fiecare stare de agregare este caracterizată de propriul raport între energiile potențiale și cinetice ale particulelor de materie.

Pentru corpuri solide in medie energie potențială particulele este mai mare decât energia lor cinetică medie. Prin urmare, în solide, particulele ocupă anumite poziții unele față de altele și doar oscilează în raport cu aceste poziții.

Pentru gaze raportul de energie este inversat, drept urmare moleculele de gaz sunt mereu într-o stare de mișcare haotică și practic nu există forțe de coeziune între molecule, astfel încât gazul ocupă întotdeauna întregul volum care îi este furnizat.

În cazul lichidelor energiile cinetice și potențiale ale particulelor sunt aproximativ aceleași, adică particulele sunt conectate între ele, dar nu rigid. Prin urmare, lichidele sunt fluide, dar au un volum constant la o anumită temperatură.

Interacțiunea particulelor formând un lichid

Distanțele dintre moleculele lichide sunt mai mici decât raza de acțiune moleculară.

Dacă o sferă de acțiune moleculară este descrisă în jurul unei molecule lichide, atunci în interiorul acestei sfere vor exista centre ale multor alte molecule care vor interacționa cu molecula noastră. Aceste forțe de interacțiune ține molecula fluid în apropierea poziţiei sale temporare de echilibru timp de aproximativ 10 -12 – 10 -10 s, după care sare la nou post temporar echilibrează în jurul propriului diametru.

Între salturi, moleculele lichide oscilează în jurul unei poziții temporare de echilibru.

Se numește timpul dintre două sărituri ale unei molecule dintr-o poziție în alta timpul vieții așezate. Acest timp depinde de tipul de lichid și de temperatură. Când un lichid este încălzit, timpul mediu al vieții stabilite a moleculelor scade.

În timpul vieții stabilite (aproximativ 10 -11 s) majoritatea moleculelor lichide sunt menținute în pozițiile lor de echilibru și doar o mică parte dintre ele are timp să se deplaseze într-o nouă poziție de echilibru în acest timp.

Pentru mai mult timp, majoritatea moleculelor lichide vor avea timp să își schimbe locația.

Deoarece moleculele lichide sunt situate aproape una de cealaltă, după ce au primit o cantitate suficient de mare energie kinetică, deși pot depăși atracția vecinilor cei mai apropiați și pot părăsi sfera lor de acțiune, ei vor cădea în sfera de acțiune a altor molecule și se vor regăsi. într-o nouă poziţie temporară de echilibru.

Doar moleculele situate pe suprafața liberă a lichidului pot zbura din lichid, ceea ce explică procesul acestuia evaporare.

Dacă un volum foarte mic este izolat într-un lichid, atunci în timpul vieții stabilite există în el aranjarea ordonată a moleculelor, similar cu locația lor în rețeaua cristalină a unui solid. Apoi se dezintegrează, dar apare în altă parte. Astfel, întregul spațiu ocupat de lichid, așa cum spune, este format dintr-un set nuclee de cristal, care însă nu sunt stabile, adică. se dezintegrează în unele locuri, dar reapar în altele.

Structurile lichidelor și ale corpurilor amorfe sunt similare

Ca urmare a aplicării metodelor la lichide analiză structurală a determinat că lichidele sunt asemănătoare ca structură cu corpurile amorfe. În majoritatea lichidelor, se observă ordinea pe distanță scurtă - numărul de vecini cei mai apropiați pentru fiecare moleculă și a acestora aranjament reciproc aproximativ la fel pe tot volumul lichidului.

Gradul de ordine al particulelor diferite lichide sunt diferite. În plus, se schimbă cu temperatura.

La temperaturi scăzute, depășind ușor punctul de topire al unei substanțe date, gradul de ordine în aranjarea particulelor unui lichid dat este ridicat.

Pe măsură ce temperatura crește, aceasta scade iar pe măsură ce se încălzește, proprietățile lichidului se apropie din ce în ce mai mult de cele ale gazului. Când se atinge temperatura critică, distincția dintre lichid și gaz dispare.

Datorită asemănării structurii interne a lichidelor și a corpurilor amorfe, acestea din urmă sunt adesea considerate lichide cu o vâscozitate foarte mare, iar doar substanțele în stare cristalină sunt clasificate ca solide.

Când asemănăm corpurile amorfe cu lichide, trebuie totuși reținut că în corpuri amorfe spre deosebire de lichidele obișnuite, particulele au o ușoară mobilitate - la fel ca și în cristale.

LA Viata de zi cu zi ne confruntăm constant cu trei stări ale materiei - lichidă, gazoasă și solidă. Avem o idee destul de clară despre ce sunt solidele și gazele. Un gaz este o colecție de molecule care se mișcă aleatoriu în toate direcțiile. Toate moleculele unui corp solid își mențin aranjamentul reciproc. Ei fac doar vibrații ușoare.

Caracteristicile unei substanțe lichide

Ce sunt substanțele lichide? Caracteristica lor principală este că, ocupând o poziție intermediară între cristale și gaze, combină anumite proprietăți ale acestor două stări. De exemplu, pentru lichide, precum și pentru solide, prezența volumului este caracteristică. Totuși, în același timp, substanțele lichide, precum gazele, iau forma vasului în care se află. Mulți dintre noi cred că nu au propria lor formă. Cu toate acestea, nu este. Forma naturală a oricărui lichid este o sferă. Gravitația îl împiedică de obicei să-și asume această formă, astfel încât lichidul fie ia forma unui vas, fie se răspândește pe suprafață într-un strat subțire.

Din punct de vedere al proprietăților sale, starea lichidă a unei substanțe este deosebit de complexă, datorită poziției sale intermediare. A început să fie studiat încă de pe vremea lui Arhimede (acum 2200 de ani). Cu toate acestea, analiza modului în care se comportă moleculele unei substanțe lichide este încă una dintre cele mai dificile domenii ale științei aplicate. Nu există încă o teorie general acceptată și complet completă a lichidelor. Cu toate acestea, putem spune ceva despre comportamentul lor cu siguranță.

Comportarea moleculelor într-un lichid

Fluidul este ceva care poate curge. Ordinea de rază scurtă este observată în aranjarea particulelor sale. Aceasta înseamnă că locația vecinilor cei mai aproape de acesta, în raport cu orice particule, este ordonată. Cu toate acestea, pe măsură ce se îndepărtează de ceilalți, poziția ei în raport cu aceștia devine din ce în ce mai puțin ordonată, iar apoi ordinea dispare cu totul. Substanțele lichide sunt formate din molecule care se mișcă mult mai liber decât în ​​solide (și chiar mai liber în gaze). Pentru un anumit timp, fiecare dintre ei se repezi mai întâi într-o direcție, apoi în cealaltă, fără să se îndepărteze de vecinii săi. Cu toate acestea, o moleculă lichidă iese din mediu din când în când. Ea ajunge într-un loc nou mutându-se în alt loc. Din nou, pentru un anumit timp, face mișcări asemănătoare oscilațiilor.

Contribuția lui Ya. I. Frenkel la studiul lichidelor

Ya. I. Frenkel, un om de știință sovietic, a adus o mare contribuție la dezvoltarea unui număr de probleme dedicate unui subiect precum substanțele lichide. Chimia a avansat foarte mult datorită descoperirilor sale. El credea că mișcarea termică în lichide are următorul caracter. Pentru un anumit timp, fiecare moleculă oscilează în jurul poziției de echilibru. Totuși, își schimbă locul din când în când, trecând brusc într-o nouă poziție, care este separată de cea anterioară printr-o distanță care este aproximativ de dimensiunea acestei molecule în sine. Cu alte cuvinte, în interiorul lichidului, moleculele se mișcă, dar încet. Uneori stau în apropierea anumitor locuri. În consecință, mișcarea lor este ceva ca un amestec de mișcări în gaz și în corpul solid. Oscilațiile într-un loc după un timp sunt înlocuite cu o tranziție liberă de la loc la loc.

Presiunea lichidului

Unele proprietăți ale materiei lichide ne sunt cunoscute datorită interacțiunii constante cu acestea. Deci, din experiența vieții de zi cu zi, știm că acţionează la suprafaţa corpurilor solide care vin în contact cu ea, cu anumite forţe. Se numesc puteri.

De exemplu, când deschidem un robinet cu degetul și deschidem apa, simțim cum se apasă pe deget. Și înotatorul care s-a scufundat mai departe mare adâncime, fără a experimenta accidental dureri de urechi. Se explică prin faptul că timpan urechea este afectată de forțele de presiune. Apa este o substanță lichidă, deci are toate proprietățile ei. Pentru a măsura temperatura apei la adâncimea mării, trebuie folosite termometre foarte puternice, astfel încât să nu fie zdrobite de presiunea lichidului.

Această presiune se datorează compresiei, adică unei modificări a volumului lichidului. Are elasticitate în raport cu această schimbare. Forțele de presiune sunt forțele de elasticitate. Prin urmare, dacă un fluid acționează asupra corpurilor în contact cu acesta, atunci este comprimat. Deoarece densitatea unei substanțe crește în timpul compresiei, putem presupune că lichidele au elasticitate în raport cu o modificare a densității.

Evaporare

Continuând să luăm în considerare proprietățile unei substanțe lichide, trecem la evaporare. Aproape de suprafața sa, precum și direct în Strat de suprafață există forţe care asigură însăşi existenţa acestui strat. Ele nu permit moleculelor din el să părăsească volumul lichidului. Cu toate acestea, datorită mișcării termice, unele dintre ele dezvoltă viteze destul de mari, cu ajutorul cărora devine posibilă depășirea acestor forțe și părăsirea lichidului. Numim acest fenomen evaporare. Poate fi observată la orice temperatură a aerului, totuși, odată cu creșterea ei, intensitatea evaporării crește.

Condensare

Dacă moleculele care au părăsit lichidul sunt îndepărtate din spațiul situat lângă suprafața acestuia, atunci toate acestea se evaporă în cele din urmă. Dacă moleculele care au lăsat-o nu sunt îndepărtate, ele formează abur. Odată ajuns în zona de lângă suprafața lichidului, moleculele de vapori sunt atrase în el.Acest proces se numește condensare.

Prin urmare, dacă moleculele nu sunt îndepărtate, viteza de evaporare scade în timp. Dacă densitatea vaporilor crește în continuare, se ajunge la o situație în care numărul de molecule care lasă în urmă anumit timp lichid, va fi egal cu numărul de molecule care se întorc în același timp la acesta. Aceasta creează o stare de echilibru dinamic. Vaporii din el se numesc saturati. Presiunea și densitatea acestuia cresc odată cu creșterea temperaturii. Cu cât este mai mare, cu atât numărul de molecule lichide are suficientă energie pentru evaporare și cu atât densitatea vaporilor trebuie să fie mai mare pentru ca condensarea să egaleze evaporarea.

Fierbere

Când, în procesul de încălzire a substanțelor lichide, se atinge o temperatură la care vapori saturati au aceeași presiune ca Mediul extern, se stabilește un echilibru între abur saturatși lichid. Dacă lichidul oferă o cantitate suplimentară de căldură, masa corespunzătoare de lichid este imediat convertită în vapori. Acest proces se numește fierbere.

Fierberea este evaporarea intensă a unui lichid. Apare nu numai de la suprafață, ci se referă la întregul său volum. În interiorul lichidului apar bule de vapori. Pentru a intra în vapori dintr-un lichid, moleculele trebuie să dobândească energie. Este necesar pentru a depăși forțele de atracție, datorită cărora acestea sunt ținute în lichid.

Temperatura de fierbere

Acesta este cel la care se observă egalitatea a două presiuni - externă și vapori saturati. Crește pe măsură ce presiunea crește și scade pe măsură ce presiunea scade. Datorită faptului că presiunea din lichid se modifică odată cu înălțimea coloanei, fierberea în acesta are loc la diferite niveluri la temperatură diferită. Numai deasupra suprafeței lichidului în procesul de fierbere are o anumită temperatură. Este determinată doar de presiunea externă. La asta ne referim când vorbim despre punctul de fierbere. Diferă pentru diferite lichide, care este utilizat pe scară largă în tehnologie, în special în distilarea produselor petroliere.

Căldura latentă de vaporizare este cantitatea de căldură necesară pentru a converti o cantitate definită izotermic de lichid în abur dacă presiunea externă este aceeași cu presiunea vaporilor saturati.

Proprietățile peliculelor lichide

Cu toții știm cum să obținem spumă dizolvând săpunul în apă. Aceasta nu este altceva decât o mulțime de bule, care sunt limitate de cea mai subțire peliculă constând din lichid. Cu toate acestea, se poate obține și o peliculă separată din lichidul spumant. Proprietățile sale sunt foarte interesante. Aceste filme pot fi foarte subțiri: grosimea lor în părțile cele mai subțiri nu depășește o sută de miimi de milimetru. Cu toate acestea, ele sunt uneori foarte stabile, în ciuda acestui fapt. Pelicula de săpun poate fi supusă deformării și întinderii, un jet de apă poate trece prin ea fără a o distruge. Cum se explică o astfel de stabilitate? Pentru ca un film să apară, este necesar să adăugați substanțe care se dizolvă în el într-un lichid pur. Dar nu oricare, ci cele care reduc semnificativ tensiunea superficială.

Filme lichide în natură și tehnologie

În tehnologie și natură, ne întâlnim în principal nu cu filme individuale, ci cu spumă, care este totalitatea lor. Poate fi observată adesea în pâraie, unde pâraiele mici cad în apă calmă. Capacitatea apei de a spuma în acest caz este asociată cu prezența materiei organice în ea, care este secretată de rădăcinile plantelor. Acesta este un exemplu al modului în care substanțele lichide naturale spumează. Dar cum rămâne cu tehnologia? În timpul construcției, de exemplu, se folosesc materiale speciale care au o structură celulară asemănătoare spumei. Sunt ușoare, ieftine, suficient de puternice, conduc prost sunetul și căldura. Pentru a le obține, la soluțiile speciale se adaugă agenți de spumă.

Concluzie

Deci, am aflat care substanțe sunt lichide, am aflat că lichidul este o stare intermediară a materiei între gazos și solid. Prin urmare, are proprietăți caracteristice ambelor. care sunt utilizate pe scară largă astăzi în tehnologie și industrie (de exemplu, afișajele cu cristale lichide) sunt un prim exemplu al acestei stări a materiei. Ele combină proprietățile solide și lichide. Este greu de imaginat ce substanțe lichide va inventa știința în viitor. Cu toate acestea, este clar că în această stare a materiei există un mare potențial care poate fi folosit în beneficiul omenirii.

Un interes deosebit în luarea în considerare a proceselor fizice și chimice care au loc în stare lichidă se datorează faptului că omul însuși este format din 90% apă, care este cel mai comun lichid de pe Pământ. În ea au loc toate procesele vitale atât în ​​plante, cât și în lumea animală. Prin urmare, este important pentru noi toți să studiem starea lichidă a materiei.