Тұтқыр сұйықтықтағы дененің жылу алмасуын зерттеу

Анықтама

Сұйықтық - бұл-аққыштық, яғни жылдам қозғалғыштық қасиетке ие, өзінің формасын сыртқы күштердің және температуралық ауытқулардың әсерінен өзгерте алатын дене.

Гидравлика – («хидро»-су, «аулос»-құбыр), сұйықтың механикасы, сұйықтың тепе-теңдік жағдайы мен ағынның (қозғалысының) арнаулы мәселелерінің жалпы заңдылығын инженерлік салада қолданылуын зерттейтін ғылым саласы.

Тұтқырлықтың түрлері пластикалық тұтқыр, серпімді тұтқыр және жоғары тұтқыр

Тұтқырлық – әр түрлі жылдамдқпен аққан сұйықтың кері қабатының арасында қозғалысына жұғысу қарсылығын тұтқырлық немесе сұйықтың ішкі үйкелісі деп атайды. Сұйықтың тұтқырлығын вискозометр құралымен анықтайды.

Заттың тұтқырлығы Сұйық немесе газ түріндегі заттың ығыстыру деформациясына қарсылық көрсету қабілеті.

Судың тұтқырлығы Судың қозғалысы барысында оның үйкеліс күшін туындату қабілеті. Осы құбылыс ағыс жылдамдығы жоғарырақ судың аталған жылдамдық мөлшері төменірек суға әсер етуін қамтамасыз етеді. Судың тұтқырлығы температура мен сулы ерітіндінің үйірімділігіне тәуелді, оның мөлшері тұтқырлық коэффициентімен бағаланады.

Газ тұтқырлығы Бір-бірімен жарыса, бірақ әр түрлі жылдамдықтармен жылжыған газ қабаттары аралығында пайда болатын олардың ішкі үйкеліс күші (тұтқырлығы).

Сұйықтың тұтқырлығы Сұйықтың қозғалысы барысында оның өз өңірінде үйкеліс күшін тудыру қабілеті. Сұйықтың тұтқырлығы қатты жылдамдықпен қозғалған сұйық қабаттарының қозғалысын азырақ жылдамдықпен қозғалған сұйық қабаттарына беруге қабілетті. Сұйықтың тұтқырлығының мөлшері температура көрсеткішіне және ерітіндінің үйірімділігіне тәуелді. Физикалық тұрғыдан сұйықтың тұтқырлығы тұтқырлық коэффицентімен бағаланады.

Динамиқалық тұтқырлық Динамиқалық тұтқырлық - газ немесе сұйықтықтың бір қабаттының екінші қабатына қатысты жылжу кедергісінің сандық сипаттамасы. Сұйықтың динамикалық түтқырлығы. Ауданы 1 см2 сұйық (су) қабатының 1 см/с жылдамдықпен 1 см қашықтыққа қозғалуына қарсылық көрсету күші.

Кинематиқалық тұтқырлық Кинематиқалық тұтқырлық - газ немесе сұйықтықтын тығыздығына динамиқалық тұткырлықтың қатынасы.

Қойнауқаттық су тұтқырлығы Мөлшері температура мен ерітінді үйірімділігіне тәуелді болып келетін, судың қозғалысы барысында үйкеліс күшін тудыру қабілеті.

Екпінді тұтқырлық Екпінді тұтқырлық - екпінді жүктеме әсерінен бұзылу үрдісі нәтижесінде қатты денелердің механиқалық энергияны сіңіруі

Қысқартылған сөздер

— Авогадро саны;

— газ тұрақтысы;

— қысым;

— тығыздық;

— масса;

— абсолюттік температура;

— көлемдер;

— энтальпия ;

— энтропия;

— термодинамикалық потенциал;

— еркін энергия;

— тұтқырлық коэффициенті;

— молярлық масса;

— шардың радиусы;

КІРІСПЕ

Судың физикалық қасиетінің өзіне тән ерекшелігі бар. Оны салыстырып қарасақ,ауакеңістігінен өте көп айырмашылығы байқалады. Судың жабысқақтығы. Су өте майда бөлшектерден тұрады, бір-бірімен жанаса, бірде жақындасып, бірде араласа, ығыстырыла отырып, қою ағынды затқа (масса) айналады. Су бөлшектері қимылдай бастағанда шапшаң қозғалуға ішкі кедергі арқылы әсер етеді. Кедергінің пайда болуы судың ұсақ бөлшектерінің жабысқақтығына байланысты. Адам жүзе бастағанда, оның денесі судың бөлшектері, тамшылары жабысып, бірге ілеседі. Бөлшектер бір-біріне жабысып, адамның тез қимылдауына кедергі жасайды. Ол судық жабысқақтығын азайту үшін оның температурасын көтеру керек.

Судың қысымын суға алғаш түскеннен бастап сезуге болады. Адам суға тереңдеген сайын оның қысымы жүзушінің денесіне әсерін тигізе бастайды. Судың қысымынан құлақ шыңылап, бас, буындар аурады. Судың температурасы көтерілген сайын оның көлемі өсе береді, ал үлесті салмағы кемиді.

Судың тағы бір маңызды қасиеті – оның тығыздығы. Сұйық денелердің массалық көлемін оның тығыздығы деп атайды.Адам әдетте, жердің үстімен және ауа кеңістігін де қозғалады. Жерді итеріп, тебініп жүреді. Ауа кеңістігіндегі адам қозғалады, яғни адам әр текті кеңістерге қозғалып жүреді. Ауаның кедергісі адам шапшаң жүргенде, қатты желде, үлкен ылғалдықта, ыстықта, не болмаса аязды күндерде сезеді. Ал әдеттегі жағдайларда ауаның кедергісін адам сезбейді. Адам су ішінде қозғалғанда қол-аяғымен сермелейді, су бір текті кеңсістік болып саналады. Судың басқа да екі қасиеті бар – ол жылу сыйымдылығы мен жылу өткізгіштігі. Судың меншікті жылу сыйымдылығы 1 кал/см3 көлемде, ал ауаныкі – 0,0003 кал/см3 тең. Мұндай көлемдегі су жылулықты 3700 есе көп сіңіреді.

Судың жылу өткізгіштігі 53 ккал/т/м3, ал ауаныкі - 2 ккал/т/м3 тең. Сол себептен жылы су мен ауаға қарағанда адамның денесінен 25 есе тезірек өтеді. Осылайша судың физикалық қасиеттері туралы біраз түсінік алғаннан кейін судың тұтқырлығын анықтау әдістерін қарастырайық.

Тұтқырлық – сұйықтар мен газдардың негізгі қасиеттерінің бірі. Мысалы, машиналарды майлау үшін жанармайды алдын ала тұтқырлығына қарап таңдап алады. Сұйық тұтқырлығының температураға байланыстылығы өте күшті болады. Себебі сұйықтың температурасы жоғарылап кризистік температураға жеткенде (мысалы, суды алсақ ол 1000с-та қайнап буға айналады) басқа фазаға өтеді.Әсіресе майлар тұтқырлығының тәуелділігі күшті,мысалы, температурасы 1800С-тан 4000С-қа дейін көтерілгенде кастор майының тұтқырлығы төрт еседей кемиді. Барлық нақты сұйықтардың бір қабаты екінші қабатымен салыстырғанда орын ауыстырса, онда азды-көпті үйкеліс күші пайда болады. Шапшаңырақ қозғалатын қабат тарапынан жай қозғалатын қабатқа үдетуші күш әсер етеді. Керісінше, жай қозғалатын қабат тарапынан шапшаң қозғалатын қабатқа бөгеуші күш әсер етеді.

Бұл күштер ішкі үйкеліс күштері деп аталады,олар қабаттардың бетіне жүргізілген жанама бойымен бағытталады. Ішкі үйкеліс күшінің шамасы сұйық ағысының v жылдамдығы бір қабаттан екінші қабатқа көшкенде қаншалықты шапшаң өзгеретіндігіне тәуелді және қарастырылып отырған сұйық қабаты бетінің S ауданы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым зор болады. Ньютон алғаш рет сұйықтың екі қабатының арасындағы үйкеліс күші жылдамдықтар айырымы мен жанасып тұрған сұйық қабаттары бетінің ауданына тура пропорционал және сол қабаттардың ара қашықтығына кері пропорционал екендігін дәлелдеді.

Тұтқырлық коэффициенті неғұрлым үлкен болған сайын сұйықтың идеал сұйықтан айырмашылығы мен үйкеліс күші соғұрлым үлкен болады. Заттың тұтқырлығы сұйық немесе газ түріндегі заттың ығыстыру деформациясына қарсылық көрсету қабілеті. Судың тұтқырлығы Судың қозғалысы барысында оның үйкеліс күшін туындату қабілеті. Осы құбылыс ағыс жылдамдығы жоғарырақ судың аталған жылдамдық мөлшері төменірек суға әсер етуін қамтамасыз етеді. Судың тұтқырлығы температура мен сулы ерітіндінің үйірімділігіне тәуелді, оның мөлшері тұтқырлық коэффициентімен бағаланады. Газ тұтқырлығы Бір-бірімен жарыса, бірақ әр түрлі жылдамдықтармен жылжыған газ қабаттары аралығында пайда болатын олардың ішкі үйкеліс күші (тұтқырлығы).

Физикалық тұрғыдан сұйықтың тұтқырлығы тұтқырлық коэффицентімен бағаланады. Ал Динамиқалық тұтқырлық – газ немесе сұйықтықтың бір қабаттының екінші қабатына қатысты жылжу кедергісінің сандық сипаттамасы. Сұйықтың динамикалық түтқырлығы ауданы 1 см2 сұйық (су) қабатының 1 см/с жылдамдықпен 1 см қашықтыққа қозғалуына қарсылық көрсету күші. Қойнауқаттық су тұтқырлығы Мөлшері температура мен ерітінді үйірімділігіне тәуелді болып келетін, судың қозғалысы барысында үйкеліс күшін тудыру қабілеті.

Кинематиқалық тұтқырлық – газ немесе сұйықтықтын тығыздығына динамиқалық тұткырлықтың қатынасы. Екпінді тұтқырлық Екпінді тұтқырлық – екпінді жүктеме әсерінен бұзылу үрдісі нәтижесінде қатты денелердің механиқалық энергияны сіңіруі. Ал Идеал сұйықтық – тұтқырлығы мен жылу өткізгіштігі болмайды деп есептелетін сұйықтық.

Идеал сұйықтықта ішкі үйкеліс болмағандықтан оның көршілес екі қабатының арасында жанама кернеу болмайды. Идеал сұйықтық – үзіліссіз дене және оның өзіне тән құрылымы да жоқ.

Идеал сұйықтықты мұндай етіп сипаттау гидроаэромеханикада қарастырылатын ағындардың көпшілігі үшін дұрыс болып есептеледі әрі ол сұйықтықтар мен газдардың нақты ағындарының заңдылықтарын ашу кезінде жақсы нәтиже алынады.

Идеал сұйықтық моделін қолдану сұйықтықтар мен газдардың әр түрлі пішінді құбырлардағы қозғалысын, олардың сорғалап ағуы мен денелерді орай ағып өтуі жөніндегі есептерді теориялық тұрғыда шешуге мүмкіндік береді.

1 Теориялық бөлімі

1.1 Сұйықтық туралы түсінік. Сұйықтықтың қасиеттері. Сұйық ағынының үзіліссіздік теңдеуі

Әр түрлі сұйықтардың табиғи жағдайы мен олардың қолдану шараларын қарастырған кезде қозғалу заңдылығымен қоса, сұйықтың күш әсері мен жер бетінде немесе басқа заттардың бетіне тигізетін механикалық әсерін зерттейді. Осындай күрделі мәселелерді зерттеу кезінде бұл ілім ғылым ретінде қалыптасты да, оны гидромеханика гидравлика деп атайды.

Гидравлика деген сөз гректің су және құбырша деген сөзінен шыққан. Гидравлика әр түрлі сұйықтың тепе – теңдік жағдайы мен оның қозғалу ағу заңдылығын зерттейді де, осы заңның практикада түрлі инженерлік – техникалық есептеулер кезінде қолдану тәсілдері беріледі. Гидравлика мынандй бөлімнен тұрады. Гидростатика, кинематика және гидродинамика.

Гидростатика сұйықтың тыныштықта тұрғандағы тепе-теңдігі мен қатты дененің сұйыққа түгелімен немесе жартылай батқан кездегі сипатын зерттейді.

Кинематика сұйық қозғалысының ағынының геометриялық көрсеткіші мен уақыт ішіндегі (жылдамдығы мен үдеуі) жағдайын зерттейді.

Гидродинамика сұйық қозғалысының заңдылығын оған түсетін барлық күш әсерімен бірге зерттейді.

Гидравликаның зерттеу обьектісі – сұйық, табиғатта сұйықтың төрт агрегатты күйі қатты, сұйық, газ түрінде және плазымалы болып бөлінеді. Сұйықтың негізгі қасиеттеріне өте төменгі температура мен жоғарғы қысым кезінде қатты дене қасиетінде болатындығын (мұз), ал өте жоғарғы температура мен ең төменгі қысым кезінде газ түріндегі қасиетіне айнала алатындығын (бу) жатқызуға болады.

Сұйық дегеніміз – физикалық дене, оның бөлшектері өте қозғалғыш келеді де, аққыш және сыртқы күш әсерінен өзінің формасын өзгерте алатын қасиеті бар. Сұйықтар сығылатын (газ түрлі) және сығылмайтын немесе өте аз сығылатын (тамшылы) болып бөлінеді.

Сұйық қозғалысының заңдылығын зерттеуді жеңілдету үшін идеалды (қиялды) және реалды (нақтылы) сұйықтар деп екіге бөлінеді.

Идеалды (қиялды) – тұтқырсыз сұйық, бұл сұйықта үйкеліс күші мен жанама кернеу күші болмайды да, сыртқы күш әсерінен оның көлемі өзгермейді.

Реалды (нақтылы)-тұтқырлы сұйық, табиғатта кездесетін сұйық қысымы мен температураның әсерінен көлемі өте аз өзгереді. Сондықтан гидравликада нақтылы сұйықты абсолютті сығылмайтын дене ретінде зерттеледі. Реалды сұйық Ньютондық және Бингемдік болып бөлінеді. Ньютон сұйығындағы қозғалысты сұйық бір қабатының екінші қабатына қарағандағы жанама кернеу (ішкі үйкеліс) оның жылжу жылдамдығына пропорционалды болды. Егер сұйық тыныштықта тұрса, бұл кернеу күші нөлге тең болады. Ньютон сұйығына су, май, бензин, керосин, глицирин, ауа газдары, т.б. жатады.

Бингем сұйығының ағысы өте баяу болды, Ньютон сұйығынан айырмасы – тыныштықта тұрған кезіндегі бұл сұйықта жанама күші (ішкі үйкеліс) болады, әрі мұның шамасы сұйықтың түріне байланысты. Бингем сұйығына битум, балшықты май, колоидтар,т.б. жатады. Ал мұнай өнімдері қатуға жақындаған температурадағы сұйыққа әсерін тигізетін ішкі және сыртқы күштер деп бөлінеді. Ішкі күш – сұйықтың ішіндегі бөлшектердің байланыстылығы, ал сыртқы күштерге сұйық бетіне түсетін күш және көлем жатады. Сұйық бетіне түсетін күштер(сығу,созу,үйкеліс күші,қысым) сұйықтың белгілі көлеміне бағытталған. Көлемдік күштер (салмақ күші,инерциялық күш, электромагниттік күш) сұйық денесінің барлық көлеміне бірдей тарайды.

Әр түрлі жылдамдықпен аққан сұйықтың қабатының арасында болатын үйкеліс кедергісі тұтқырлық немесе сұйықтың жанамма кернеуге қарсы тұру қасиетін айтады, кейде сұйықтың ішкі үйкелісі деп атайды. Сұйықта ішкі үйкеліс күштің барлығын тұңғыш рет айтқан – И.ьютон. Ол 1687 жылы келтірген болжамы ішкі үйкеліс күші сұйықтың екі қабатының жанасу бетінің ауданы мен салыстырмалы жылдамдықтарына тура пропорционал болып өседі деп жорамалдаған. Ньютонның бұл болжамның дұрыстығына орыс ғалымы Н.П.Петров «Машинадағы үйкеліс және жоғалатын (майланатын) майдың әсері» деген жұмысы…