1-液体的主要物理性质演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1 液体的主要物理性质,1,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,2,1.1 液体的主要物理性质,1.1.1 液体的基本特征,自然界物质存在三种形式,固体,液体,气体,3,流体,固体,液体,气体,物质,4,固体,液体,气体,物质,固定形状和体积,内部存在拉力、压力和剪力,不能保持固定形状,不能承受拉力，微弱剪力作用,下，流体发生变形和流动,5,固体,液体,气体物质,压缩和膨胀性小,可压缩和膨胀,(但低速空气流动（4050m/s）,气体可视为不可压缩),6,1.1.2 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,7,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,310,22,个分子，相邻分子间距约310,8,cm。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。,310,8,cm,8,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,9,水力学所研究的液体是连续介质的连续流动,10,连续介质的概念,由瑞士学者欧拉（Euler）1753年首先建立，,这一假定在流体力学发展上起到了巨大作用。,11,如果液体视为连续介质，则液体中,一切物理量,（如速度、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,。,研究液体运动时，可利用连续函数分析方法。,12,研究液体运动时，可利用连续函数分析方法,13,特殊问题：,水流掺气,空化水流,液体是不连续的,14,1.1 液体的主要物理性质,1.1.1 液体的基本特征,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,压缩和膨胀性小,1.1.2 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,15,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,16,1.2 液体的密度和容重,1 密度,：,单位体积液体所包含的质量，用,表示,17,均质液体：,=,式中，,M,为液体的质量；,V,为的体积,对于非均质液体：,=,式中，,M,为任意微元的液体质量；,量纲：,=ML,-3,单位：,kgm,-3,V,为任意微元的液体体积。,M V,M,V,18,量纲：,F,=,Ma,=,M,a,=,M,a,每一个物理量包含量的数值和量的种类,用符号 表示,物理量的种类称量纲,例如，,F,=-,Ma,则,19,f,(,p,t,)=,f,(压强，温度）,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4（）时蒸馏水密度计算,1000（kgm,-3,),20,21,若已知均质液体密度和体积，则该液体质量为,22,但随温度和压强的变化较小,f,(,p,t,)=,f,(压强，温度）,水力学的特殊问题,如水击问题，则视为变数,23,2 容重（重度）,均质液体：,或：,则,量纲：FL,-3,单位：Nm,-3,或 kNm,-3,24,重力：地球对物体的吸引力称重力，用符号,G,表示,G=Mg,式中，,g,为加速度。,25,不同液体重度是不同的,f,(,p,t,),=,f,(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。,26,9800（Nm,-3,）9.8（kNm,-3,）,取一个标准大气压下的温度为4c蒸馏水计算，则,27,水的重度（标准大气压下）随温度变化,28,29,表0-1 几种常见的液体的重度（标准大气压下）,液体名称 汽油 纯酒精 蒸馏水 海水 水银,重度（Nm,-3,）,测定温度（）,水的倍数,66647350,15,0.680.75,7778.3,15,0.7937,9800,4,1,999610084,15,1.021.029,133280,0,13.6,30,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,31,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,A,B,AB,BA,u,AB,A,B,u,BA,平板缝隙中的润滑油流动,1.3 液体的粘滞性,32,1粘滞性：,当液体质点（液层）间存在相对运动时,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,内摩擦力抵抗其相对运动（液体连续变形）,或 液体在相对运动状态下抵抗剪切变形的能力,33,因：,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,（1）方向：与该液层相对运动速度方向相反,（2）大小：由牛顿内摩擦定律决定,34,2牛顿内摩擦定律：,根据前人的科学实验研究，,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，,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,35,2牛顿内摩擦定律,牛顿内摩擦定律,式中，,为液体的动力粘滞系数,为切应力，方向与作用面平行,d,u,d,y,为流速梯度，,y,为垂直于流速方向,与相对运动方向相反,u,y,O,u+du,y,u,d,y,u,BA,u,AB,u,BA,A,B,AB,36,流速分布曲线,37,切应力方向判断,u,+,du,u,u,+,du,u,38,适用条件,：,牛顿流体（Newtonian fluid）,图 牛顿流体的适用条件,0,d,u/,dy,1,牛顿流体,理想宾汉流体,伪塑性流体,膨胀性流体,泥浆，血液等,尼龙，橡胶的溶液,生面团，浓淀粉等,39,固体的变形,从另一个角度分析流速梯度,40,液体的变形,41,图 微元水体运动的示意,d,u,d,t,u+,d,u,u,y,u,d,y,d,y,d,故,证明:液体的流速梯度即为液体的剪切变形速度,42,故,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,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,对相对运动液层抵抗越大,43,3粘滞系数,：,反映不同液体对内摩擦力的影响系数,44,动力粘滞系数,量纲：,F.T.L,-2,单位：,Nsm,-2,Pas,有时候用:poise(泊)=dyne scm,-2,1 poise=0.1 Nsm,-2,45,运动粘滞系数,量纲：,L,2,T,-1,单位：m,2,s,-1,有时候用:cm,2,s,-1,1 cm,2,s,-1,=1 stokes=0.0001 m,2,s,-1,/,46,同一种液体中，,粘滞系数(,)=,f,(,p,t,)=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。,47,对于水，可采用下列经验公式,式中，,t,水温度，为stokes；（cm,2,/s),48,下图给出了水和空气的粘滞系数随温度变化曲线。,图 水和空气的运动粘滞系数随温度的变化曲线,可见,：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。,原因在于两者分子结构不同。,49,1 液体的主要物理性质,50,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,51,1.4 压缩性及压缩系数,1弹性,：,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,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,52,2体积压缩系数：,p,p+,d,p,V,V+,d,V,图 液体体积的压缩示意,式中，,为体积压缩系数，,值越大，液体压缩性越大。,解释：,“”表示压强增大，体积缩小，,体积增量d,V,与压强增量d,p,符号相反，,为了保证,是一个整数，前面冠以“”。,53,液体被压缩时，质量并没有改变，故,单位：(m,2,N,-1,)=Pa,-1,54,3体积弹性系数：,单位：Pa，kPa,物理意义,：,K,越大，液体越不容易压缩,K,表示液体绝对不可压缩。,55,例如，在温度,t,=20，,K,2.1010,6,（kNm,-2,），,即每增加一个大气压，水的体积相对压缩量仅两,万分之一。,液体是不可压缩,56,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,进水管中压力突然升高，液体受到压缩，产生的弹,性力对运动的影响不能忽视。,57,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,58,1.5 表面张力,1 表面张力,：,自由面上液体分子受到的极其微小的拉力,原因：自由表面上液体分子和两侧分子引力不平衡。,注意：,1 表面张力不在液体的内部存在，只存在于液体表面,2 液体的表面张力较小，一般对液体的宏观运动不起,作用可忽略不计。,3 某些情况下要考虑。例如，水滴雾化,59,一个金属框,AB 可以沿着框边直线运动,B,A,一个试验可以证明，表面张力的存在,60,盛有黑颜液体的容器,61,62,2 毛细现象：,盛有液体的细玻璃管叫做测压管。,由于表面张力作用,玻璃管中液面和与之连同的大容器中的液面,不在同一水平面上，这种现象叫毛细现象。,图 毛细现象,h,h,水,水银,63,图 玻璃管中毛细管上升值,图 毛细现象,h,h,水,水银,d,64,1 液体的主要物理性质,65,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,66,1.6 液体的相变,固体、液体和气体是物质三种形式，,在不同压力、温度下可相互转化,67,1.6 液体的相变,三态界限,T,t,+273,p,68,三态界限,T,t,+273,p,固态,液态,气态,69,三态界限,T,t,+273,p,固态,液态,气态,（,T，p,）,（,T，p,）,液体的沸腾,70,三态界限,T,t,+273,p,固态,液态,气态,（,T，p,）,（,T，p,）,液体的沸腾,（,T，p,）,液体的汽化,71,1.1 液体的基本性质及连续介质的概念,1.2 液体的密度和容重,1.3 液体的粘滞性,1.4 液体的压缩性和膨胀性,1.5 液体的表面张力,1.6 液体的相变,1.7 作用于液体上的力,72,0-5 作用于液体上的力,1.表面力,作用于液体表面，并与作用面的表面积,成正比的力为表面力。例如，压力，粘滞力等。,73,1.表面力,表面力的大小可用总作用力表示，也常用,单位面积上所受的表面力（即应力）表示。,若表面力和作用面垂直，此切应力称为,压应力,或压强,。,若表面力和作用面平行，则此应力称,为,切应力,。,74,2 质量力,作用于也液体每一部分质量上，,其大小和液体的质量成正比的力。,例如，重力、惯性力等。,在均质液体中，质量和体积是,成正比的，所以，质量力又称为,体积力,。,75,2 质量力,质量力除用总作用力表示外，也常用,单位质量力度量,单位质量力：,作用在单位质量液体上的质量力,76,若一质量为,M,的均质液体，作用于其上的总质量,为,F,，则单位质量力,f,为,在三个坐标方向的投影为,式中：,F,X,，,F,Y,，,F,Z,为总质量力在三个坐标方向的投影；,X,，,Y,，,Z,为单位质量力在三个坐标方向的投影，,或 称作,x，y，z,方向的单位质量力。,f =F/M=(Fx,Fy,Fz)/M,77,例如,在重力作用下的液体,X,Y,0,，Z,-,g,；,在旋转（常角速度）容器中的单位质量力,X,x,2,；,Y,y,2,；,Z,-,g,78,