Агрегатни състояния на водата. Течни вещества Характеристики на течното агрегатно състояние

1. Течно агрегатно състояние и неговите свойства.

2.1 Закон на Бернули.

2.2 Закон на Паскал.

2.3 Ламинарен поток на течности.

2.4 Закон на Пойзел.

2.5 Турбулентно течение на течности.

3.1 Измерване на вискозитета на течността.

3.2 Измерване на обем и дебит на течност

1. Течно агрегатно състояние и неговите свойства.

Течностите заемат междинно положение между газообразни и твърди вещества. При температури, близки до точките на кипене, свойствата на течностите се доближават до тези на газовете; при температури, близки до точката на топене, свойствата на течностите се доближават до свойствата на твърдите вещества. Ако твърдите вещества се характеризират със строго подреждане на частици, простиращи се на разстояния до стотици хиляди междуатомни или междумолекулни радиуси, тогава в течно вещество обикновено има не повече от няколко десетки подредени частици - това се обяснява с факта, че редът между частиците в различни места на течно вещество също бързо възниква, тъй като отново се „ерозира“ от топлинна вибрация на частиците. В същото време общата плътност на опаковката на частиците на течно вещество се различава малко от тази на твърдо вещество - следователно тяхната плътност е близка до плътността на твърдите вещества и тяхната свиваемост е много ниска. Например, за да се намали обемът, зает от течна вода с 1%, е необходимо налягане от ~200 atm, докато за същото намаляване на обема на газовете е необходимо налягане от около 0,01 atm. Следователно свиваемостта на течностите е приблизително 200: 0,01 = 20 000 пъти по-малка от свиваемостта на газовете.

По-горе беше отбелязано, че течностите имат определен собствен обем и приемат формата на съда, в който се намират; тези свойства са много по-близки до свойствата на твърдото, отколкото на газообразното вещество. Непосредствената близост на течното състояние до твърдото състояние се потвърждава и от данните за стандартните енталпии на изпарение ∆H° eva и стандартните енталпии на топене ∆H° pl. Стандартната енталпия на изпаряване е количеството топлина, необходимо за превръщане на 1 мол течност в пара при 1 atm (101,3 kPa). Същото количество топлина се отделя, когато 1 мол пара кондензира в течност при 1 atm. Количеството топлина, изразходвано за трансформиране на 1 мол твърдо вещество в течност при 1 atm, се нарича стандартна енталпия на синтез (същото количество топлина се отделя, когато 1 mol течност „замръзне“ („втвърди“) при 1 atm) . Известно е, че ∆Н° pl е много по-малко от съответните стойности на ∆Н° isp, което е лесно за разбиране, тъй като преходът от твърдо към течно състояние е придружен от по-малко прекъсване на междумолекулното привличане, отколкото преходът от течно в газообразно състояние.

Редица други важни свойства на течностите са по-близки до свойствата на газовете. И така, подобно на газовете, течностите могат да текат - това свойство се нарича течливост. Устойчивостта на течливост се определя от вискозитета. Течливостта и вискозитетът се влияят от силите на привличане между течните молекули, тяхното относително молекулно тегло и редица други фактори. Вискозитетът на течностите е ~100 пъти по-голям от този на газовете. Точно като газовете, течностите могат да дифундират, макар и много по-бавно, тъй като течните частици са опаковани много по-плътно от газовите частици.

Едно от най-важните свойства на течността е нейното повърхностно напрежение (това свойство не е присъщо нито на газовете, нито на твърдите тела). Една молекула в течност е равномерно въздействана от междумолекулни сили от всички страни. На повърхността на течността обаче балансът на тези сили се нарушава и в резултат на това „повърхностните“ молекули се оказват под въздействието на определена резултатна сила, насочена към течността. Поради тази причина повърхността на течността е в състояние на напрежение. Повърхностното напрежение е минималната сила, която ограничава движението на течните частици в дълбочината на течността и по този начин предпазва повърхността на течността от свиване. Това е повърхностното напрежение, което обяснява "капковидната" форма на свободно падащите течни частици.

Поради запазването на обема, течността е в състояние да образува свободна повърхност. Такава повърхност е интерфейсът между фазите на дадено вещество: от едната страна има течна фаза, от другата има газообразна фаза (пара) и, вероятно, други газове, например въздух. Ако течната и газообразната фаза на едно и също вещество влязат в контакт, възникват сили, които се стремят да намалят повърхността на интерфейса - сили на повърхностно напрежение. Интерфейсът се държи като еластична мембрана, която има тенденция да се свива.

Повърхностното напрежение може да се обясни с привличането между течните молекули. Всяка молекула привлича други молекули, стреми се да се „обгради“ с тях и следователно напуска повърхността. Съответно повърхността има тенденция да намалява. Следователно сапунените мехурчета и мехурчетата са склонни да приемат сферична форма при кипене: за даден обем една сфера има минималната повърхност. Ако върху течността действат само сили на повърхностно напрежение, тя задължително ще придобие сферична форма - например водни капки при нулева гравитация.

Малки предмети с плътност, по-голяма от тази на течността, могат да „плуват“ на повърхността на течността, тъй като силата на гравитацията е по-малка от силата, която предотвратява увеличаването на повърхността.

Намокрянето е повърхностно явление, което възниква, когато течност влезе в контакт с твърда повърхност в присъствието на пара, тоест на границите на три фази. Намокрянето характеризира "залепването" на течност към повърхността и разпространението върху нея (или, обратно, отблъскване и неразпръскване). Има три случая: ненамокряне, ограничено намокряне и пълно намокряне.

Смесимостта е способността на течностите да се разтварят една в друга. Пример за смесими течности: вода и етилов алкохол, пример за несмесими течности: вода и течно масло.

Когато в един съд има две смесени течности, молекулите в резултат на топлинно движение започват постепенно да преминават през границата и по този начин течностите постепенно се смесват. Това явление се нарича дифузия (среща се и при вещества в други агрегатни състояния).

Течността може да се нагрее над нейната точка на кипене, така че да не настъпи кипене. Това изисква равномерно нагряване, без значителни промени в температурата в обема и без механични влияния като вибрации. Ако хвърлите нещо в прегрята течност, то моментално ще заври. Прегрятата вода се получава лесно в микровълновата.

Преохлаждането е охлаждането на течност под нейната точка на замръзване, без да се превръща в твърдо агрегатно състояние. Както при прегряването, преохлаждането изисква липса на вибрации и значителни температурни промени.

Ако преместите част от повърхността на течността от равновесно положение, тогава под действието на възстановяващи сили повърхността започва да се движи обратно в равновесно положение. Това движение обаче не спира, а се превръща в осцилаторно движение близо до равновесното положение и се разпространява в други области. Така се появяват вълни на повърхността на течността.

Ако възстановяващата сила е предимно гравитация, тогава такива вълни се наричат ​​гравитационни вълни. Гравитационните вълни върху водата могат да се видят навсякъде.

Ако възстановяващата сила е предимно силата на повърхностното напрежение, тогава такива вълни се наричат ​​капилярни. Ако тези сили са сравними, такива вълни се наричат ​​капилярно-гравитационни вълни. Вълните на повърхността на течността се заглушават под въздействието на вискозитет и други фактори.

Формално погледнато, за равновесното съвместно съществуване на течна фаза с други фази на същото вещество - газообразни или кристални - са необходими строго определени условия. Така че при дадено налягане е необходима строго определена температура. Въпреки това, в природата и в технологията навсякъде течността съществува съвместно с пара или също с твърдо агрегатно състояние - например вода с пара и често с лед (ако разглеждаме парата като отделна фаза, присъстваща заедно с въздуха). Това се дължи на следните причини.

Неравновесно състояние. Отнема време, за да се изпари течността; докато течността се изпари напълно, тя съществува заедно с пара. В природата водата се изпарява постоянно, както и обратният процес – кондензация.

Затворен обем. Течността в затворен съд започва да се изпарява, но тъй като обемът е ограничен, налягането на парите се увеличава, тя се насища дори преди течността да се е изпарила напълно, ако количеството й е достатъчно голямо. Когато се достигне състояние на насищане, количеството изпарена течност е равно на количеството кондензирана течност, системата влиза в равновесие. По този начин в ограничен обем могат да се установят условията, необходими за равновесното съвместно съществуване на течност и пара.

Наличието на атмосферата в условията на земната гравитация. Една течност се влияе от атмосферното налягане (въздух и пара), докато за парата трябва да се вземе предвид почти само нейното парциално налягане. Следователно течността и парата над нейната повърхност съответстват на различни точки на фазовата диаграма, съответно в областта на съществуване на течната фаза и в областта на съществуване на газообразната фаза. Това не отменя изпарението, но изпарението изисква време, през което двете фази съществуват едновременно. Без това условие течностите биха кипнали и се изпарили много бързо.

2.1 Закон на Бернули -е следствие от закона за запазване на енергията за стационарен поток от идеална (т.е. без вътрешно триене) несвиваема течност:

Плътност на течността,

Дебит,

Височината, на която се намира въпросният течен елемент,

Налягането в точката в пространството, където се намира центърът на масата на разглеждания течен елемент,

Ускорение на гравитацията.

Обикновено се извиква константата от дясната страна налягане, или общо налягане, както и Интеграл на Бернули. Размерността на всички термини е единицата енергия за единица обем течност.

Тази връзка, получена от Даниел Бернули през 1738 г., е кръстена на него Уравнение на Бернули. За хоризонтална тръба ч= 0 и уравнението на Бернули приема формата:

.

Тази форма на уравнението на Бернули може да се получи чрез интегриране на уравнението на Ойлер за постоянен едномерен флуиден поток с постоянна плътност ρ:

.

Съгласно закона на Бернули общото налягане в постоянен флуиден поток остава постоянно по протежение на потока.

Пълно наляганесе състои от тегло (ρ gh), статично (p) и динамично (ρν 2 /2) налягане.

От закона на Бернули следва, че когато напречното сечение на потока намалява, поради увеличаване на скоростта, тоест динамично налягане, статичното налягане пада. Това е основната причина за ефекта на Магнус. Законът на Бернули е валиден и за ламинарни газови потоци. Феноменът на намаляване на налягането с увеличаване на дебита е в основата на работата на различни видове разходомери (например тръба на Вентури), водни и пароструйни помпи. И последователното прилагане на закона на Бернули доведе до появата на техническа хидромеханична дисциплина - хидравлика.

Законът на Бернули е валиден в чист вид само за течности, чийто вискозитет е нула, т.е. течности, които не се придържат към повърхността на тръбата. Всъщност експериментално е установено, че скоростта на течност върху повърхността на твърдо тяло почти винаги е точно нула (освен в случай на отделяне на струя при някои редки условия).

2.2 Закон на Паскал се формулира по следния начин:

Налягането, упражнявано върху течност (или газ) във всяко едно място на нейната граница, например от бутало, се предава без промяна до всички точки на течността (или газа).

Основното свойство на течностите и газовете- предава налягане без промяна във всички посоки - формира основата на дизайна на хидравлични и пневматични устройства и машини.

Колкото пъти площта на едно бутало е по-голяма от площта на другото, толкова пъти хидравличната машина произвежда печалба в сила.

2.3 Ламинарен поток(лат. ламина- плоча, лента) - поток, при който течност или газ се движат на слоеве без смесване и пулсации (т.е. произволни бързи промени в скоростта и налягането).

Ламинарният поток е възможен само до определена критична стойност на числото на Рейнолдс, след което става турбулентен. Критичната стойност на числото на Рейнолдс зависи от конкретния тип поток (поток в кръгла тръба, поток около топка и т.н.). Например за поток в кръгла тръба

Числото на Рейнолдс се определя от следната връзка:

ρ - плътност на средата, kg/m 3 ;

v- характерна скорост, m/s;

Л- характерен размер, m;

η - динамичен вискозитет на средата, N*s/m2;

ν - кинематичен вискозитет на средата, m 2 /s();

Q- обемен дебит;

А- площ на напречното сечение на тръбата.

Числото на Рейнолдс като критерий за прехода от ламинарен към турбулентен поток и обратно работи относително добре за потоци под налягане. При преминаване към течения със свободен поток преходната зона между ламинарен и турбулентен режим се увеличава и използването на числото на Рейнолдс като критерий не винаги е валидно. Например, в резервоарите формално изчислените стойности на числото на Рейнолдс са много високи, въпреки че там се наблюдава ламинарен поток.

2.4 Уравнениеили Закон на Поазей- закон, който определя потока на течността по време на постоянен поток на вискозна несвиваема течност в тънка цилиндрична тръба с кръгло напречно сечение.

Съгласно закона вторият обемен дебит на течността е пропорционален на спада на налягането на единица дължина на тръбата (градиент на налягането в тръбата) и четвъртата степен на радиуса (диаметъра) на тръбата:

• Q- поток на течност в тръбопровода;
• д- диаметър на тръбопровода;
• v- скоростта на течността по тръбопровода;
• r- разстояние от оста на тръбопровода;
• Р- радиус на тръбопровода;
• стр 1 − стр 2 - разлика в налягането на входа и изхода на тръбата;
• η - вискозитет на течността;
• Л- дължина на тръбата.

Законът на Поазей работи само за ламинарен поток и при условие, че дължината на тръбата надвишава така наречената дължина на началния участък, необходима за развитието на ламинарен поток в тръбата.

Потокът на Поазей се характеризира с параболично разпределение на скоростта по радиуса на тръбата. Във всяко напречно сечение на тръбата средната скорост е половината от максималната скорост в този участък.

2.5 Tбурен Tпоток (от латински turbulentus - бурен, безпорядъчен), форма на поток от течност или газ, при който техните елементи извършват хаотични, нестабилни движения по сложни траектории, което води до интензивно смесване между слоевете на движеща се течност или газ (виж Турбулентност) . Най-подробни изследвания са проведени върху термични флуиди в тръби, канали и гранични слоеве около твърди тела, обтичащи течност или газ, както и т.нар. свободни топлинни потоци - струи, събуждания зад твърди тела, движещи се спрямо течност или газ, и зони на смесване между потоци с различни скорости, които не са разделени от частици. плътни стени. T. t. се различават от съответните ламинарни потоци както в тяхната сложна вътрешна структура (фиг. 1), така и в разпределението на средната скорост по напречното сечение на потока и интегралните характеристики - зависимостта на средната по напречното сечение или макс. скорост, дебит, както и коеф. съпротивление от числото на Рейнолдс Re. Профилът на средната скорост на топлинната енергия в тръби или канали се различава от параболичния. профил на съответния ламинарен поток с по-бързо увеличаване на скоростта по стените и по-малка кривина в центъра. части от потока (фиг. 2). С изключение на тънък слой близо до стената, профилът на скоростта се описва от логаритмичен закон (т.е. скоростта зависи линейно от логаритъма на разстоянието до стената). Коефициент на съпротивление:

Напрежение от триене на стената,
- плътност на течността,
- неговата скорост, средна за напречното сечение на потока) е свързана с Re чрез отношението

Профил на средната скорост: а - за ламинарен поток, 6 - за турбулентен поток.

3.1 Измерване на вискозитета на флуида .

Кинематичният вискозитет е мярка за потока на резистивен флуид под въздействието на гравитацията. Когато две течности с еднакъв обем се поставят в еднакви капилярни вискозиметри и текат под действието на гравитацията, вискозната течност отнема повече време, за да изтече през капиляра. Ако на един флуид са необходими 200 секунди, за да изтече, а на друг са необходими 400 секунди, вторият флуид е два пъти по-вискозен от първия по скалата на кинематичния вискозитет.

Абсолютният вискозитет, понякога наричан динамичен или прост вискозитет, е продукт на кинематичен вискозитет и плътност на течността:
Абсолютен вискозитет = Кинематичен вискозитет * Плътност
Размерът на кинематичния вискозитет е L 2 /T, където L е дължината и T е времето). SI ЕДИНИЦА за кинематичен вискозитет е 1 cSt (сантистокс)=mm 2 /s. Абсолютният вискозитет се изразява в сантипоази (cPoise). SI ЕДИНИЦАТА за абсолютен вискозитет е милипаскал-секунда 1 mPa*s = 1 cPoise.

Устройство за измерване на вискозитет се нарича вискозиметър. Вискозиметрите могат да бъдат класифицирани в три основни типа:

А. Капилярните вискозиметри измерват потока на фиксиран обем течност през малък отвор при контролирана температура. Скоростта на срязване може да бъде измерена от приблизително нула до 106 s -1 чрез заместване на диаметъра на капиляра и приложеното налягане. Видове капилярни вискозиметри и техните режими на работа:
Стъклен капилярен вискозиметър (ASTM D 445) - Течността преминава през отвор с определен диаметър под въздействието на гравитацията. Скоростта на срязване е по-малка от 10 s -1 . Кинематичният вискозитет на всички автомобилни масла се измерва с капилярни вискозиметри.
Капилярен вискозиметър за високо налягане (ASTM D 4624 и D 5481) - Фиксиран обем течност се изтласква през капилярна тръба със стъклен диаметър под въздействието на приложено газово налягане. Скоростта на срязване може да се променя до 106 s -1 . Тази техника обикновено се използва за симулиране на вискозитета на двигателните масла в работещи основни лагери. Този вискозитет се нарича вискозитет при висока температура и високо срязване (HTHS) и се измерва при 150°C и 106 s -1 . HTHS вискозитетът също се измерва чрез симулатор на конусен лагер, ASTM D 4683 (виж по-долу).

б. Ротационните вискозиметри използват въртящ момент върху въртящ се вал, за да измерват съпротивлението на течността срещу потока. Ротационните вискозиметри включват симулатора на студено завъртане (CCS), миниротационен вискозиметър (MRV), вискозиметър на Брукфийлд и симулатор на конусен лагер (TBS). Скоростта на срязване може да се промени чрез промяна на размерите на ротора, разстоянието между ротора и стената на статора и скоростта на въртене.
Симулатор на студено валцуване (ASTM D 5293) - CCS измерва привидния вискозитет в диапазона от 500 до 200 000 cPoise. Скоростта на срязване варира между 104 и 105 s -1 . Нормалният работен температурен диапазон е от 0 до -40°C. CCS показа отлична корелация със стартирането на двигателя при ниски температури. Класификацията на вискозитета SAE J300 определя нискотемпературната ефективност на вискозитета на моторните масла в границите на CCS и MRV.

Мини ротационен вискозиметър (ASTM D 4684) – MRV тестът, който е свързан с механизма за изпомпване на масло, е измерване на ниска скорост на срязване. Основната характеристика на метода е бавната скорост на охлаждане на пробата. Пробата е подготвена да има специфична термична история, която включва цикли на нагряване, бавно охлаждане и инфилтрация. MRV измерва видимото остатъчно напрежение, което, ако е по-голямо от прагова стойност, показва потенциален проблем с повреда на помпата, свързан с проникване на въздух. Над определен вискозитет (понастоящем дефиниран като 60 000 cPoise за SAE J 300), маслото може да причини неизпомпваемост чрез механизъм, наречен "ефект на ограничен поток". SAE 10W масло, например, трябва да има максимален вискозитет от 60 000 cPoise при -30°C без остатъчно напрежение. Този метод също така измерва привидния вискозитет при скорости на срязване от 1 до 50 s -1 .
Вискозиметър на Brookfield - определя вискозитета в широк диапазон (от 1 до 105 Poise) при ниски скорости на срязване (до 102 s -1).
ASTM D 2983 се използва предимно за определяне на нискотемпературния вискозитет на масла за автомобилни предавки, масла за автоматични трансмисии, хидравлични масла и масла за трактори. Тестовата температура варира от -5 до -40°C.
ASTM D 5133, сканиращият метод на Brookfield, измерва вискозитета на Brookfield на проба при охлаждане с постоянна скорост от 1°C/час. Подобно на MRV, ASTM D 5133 е проектиран да определя изпомпваемостта на маслото при ниски температури. Този тест определя точката на нуклеация, дефинирана като температурата, при която пробата достига вискозитет от 30 000 cPoise. Индексът на структурообразуване също се определя като най-високата скорост на нарастване на вискозитета от -5°C до най-ниската температура на изпитване. Този метод се използва за моторни масла и се изисква от ILSAC GF-2. Симулатор на конусни лагери (ASTM D 4683) – Тази техника също така позволява измерване на вискозитета на двигателните масла при висока температура и висока скорост на срязване (вижте Капилярен вискозиметър при високо налягане). Постигат се много високи скорости на срязване поради изключително малката междина между ротора и стената на статора.

Индексът на вискозитет (VI) е емпирично число, показващо степента на промяна във вискозитета на масло в даден температурен диапазон. Висок VI означава относително малка промяна във вискозитета с температура, а нисък VI означава голяма промяна на вискозитета с температура. Повечето минерални базови масла имат VI между 0 и 110, но VI на всесезонните масла често надвишава 110.
За да се определи индексът на вискозитет, е необходимо да се определи кинематичният вискозитет при 40°C и 100°C. След това VI се определя от таблици съгласно ASTM D 2270 или ASTM D 39B. Тъй като VI се определя от вискозитета при 40°C и 100°C, той не е свързан с ниска температура или HTHS вискозитет. Тези стойности са получени с помощта на CCS, MRV, нискотемпературен вискозиметър на Brookfield и вискозиметри с висока скорост на срязване.
SAE не използва IV за класифициране на моторни масла от 1967 г., тъй като терминът е технически остарял. Въпреки това API 1509 на Американския петролен институт описва система за класифициране на базови масла, използвайки VI като един от няколко параметъра, за да осигури принципи за взаимозаменяемост на маслата и универсализиране на вискозитетната скала.

3.2. Измерване на обем и поток на течност.

За измерване на потока на течности се използват разходомери на различни принципи на работа: разходомери с променливо и постоянно диференциално налягане, променливо ниво, електромагнитни, ултразвукови, вихрови, термични и турбинни.

За измерване на количеството на дадено вещество се използват разходомери с интегратори или броячи. Интеграторът непрекъснато обобщава показанията на инструмента, като количеството на веществото се определя от разликата в показанията му за необходимия период от време.

Измерването на потока и количеството е сложна задача, тъй като показанията на инструмента се влияят от физическите свойства на измерваните потоци: плътност, вискозитет, съотношение на фазите в потока и т.н. Физическите свойства на измерените потоци от своя страна зависят от работните условия , главно на температура и налягане.

Ако условията на работа на разходомера се различават от условията, при които е бил калибриран, тогава грешката в показанията на устройството може значително да надвиши допустимата стойност. Следователно за устройствата, произведени в търговската мрежа, се установяват ограничения върху обхвата на тяхното приложение: според свойствата на измерения поток, максималната температура и налягане, съдържанието на твърди частици или газове в течността и др.

Разходомери с променливо налягане

Работата на тези разходомери се основава на появата на разлика в налягането в стеснителното устройство в тръбопровода, когато поток от течност или газ се движи през него. Когато скоростта на потока Q се промени, стойността на този спад на налягането?р също се променя.

За някои ограничителни устройства като диференциални преобразуватели поток-налягане, коефициентът на предаване се определя експериментално и неговите стойности се обобщават в специални таблици. Такива устройства за стесняване се наричат ​​стандартни.

Най-простото и най-често срещано ограничително устройство е диафрагмата.Стандартната диафрагма е тънък диск с кръгъл отвор в центъра. Неговият коефициент на предаване значително зависи от съпротивлението на диафрагмата и особено от входния ръб на отвора. Следователно диафрагмите са направени от материали, които са химически устойчиви на измерваната среда и устойчиви на механично износване. В допълнение към диафрагмата, дюзите на Вентури и тръбите на Вентури също се използват като стандартни ограничителни устройства, които създават по-малко хидравлично съпротивление в тръбопровода.

Устройството с отвор на разходомера за диференциално налягане с променливо налягане е първичен преобразувател, в който потокът се преобразува в диференциално налягане.

Диференциалните манометри служат като междинни преобразуватели за диференциални разходомери с променливо налягане. Диференциалните манометри са свързани към стеснителното устройство чрез импулсни тръби и са монтирани в непосредствена близост до него. Следователно диференциалните разходомери с променливо налягане обикновено използват диференциални манометри, оборудвани с междинен преобразувател за предаване на резултатите от измерването към панела на оператора (например мембранни манометри за диференциално налягане DM).

Точно както при измерване на налягане и ниво, разделителните съдове и диафрагмените уплътнения се използват за защита на диференциалните манометри от агресивното въздействие на измерваната среда.

Характеристика на първичните преобразуватели на разходомери с променлива разлика в налягането е квадратичната зависимост на разликата в налягането от дебита. За да може показанията на разходомера да зависят линейно от дебита, в измервателната верига на разходомери с променливо налягане се въвежда линеаризиращ преобразувател. Такъв преобразувател е например линеаризиращият блок в междинния преобразувател NP-PZ. Когато диференциалният манометър е директно свързан към измервателно устройство (например измервателно устройство), линеаризацията се извършва в самото устройство, като се използва шаблон с квадратична характеристика.

Разходомери за постоянно диференциално налягане

Потокът на течност или газ може също да бъде измерен при постоянна разлика в налягането. За да се поддържа постоянен спад на налягането, когато скоростта на потока през ограничителното устройство се промени, е необходимо автоматично да се промени площта на неговия участък на потока. Най-простият начин е автоматично да промените площта на потока в ротаметъра.

Ротаметърът е вертикална конична тръба, съдържаща поплавък. Измереният поток Q, преминаващ през ротаметъра отдолу нагоре, създава разлика в налягането преди и след поплавъка. Тази разлика в налягането на свой ред създава повдигаща сила, която балансира теглото на поплавъка.

Ако скоростта на потока през ротаметъра се промени, спадът на налягането също ще се промени. Това ще доведе до промяна в силата на повдигане и следователно до дисбаланс на поплавъка. Поплавъкът ще започне да се движи. И тъй като тръбата на ротаметъра е конична, площта на потока в пролуката между поплавъка и тръбата ще се промени, което ще доведе до промяна в падането на налягането и следователно в силата на повдигане. Когато спадът на налягането и повдигането се върнат към предишните си стойности, поплавъкът ще се уравновеси и ще спре.

Така всеки дебит през ротаметъра Q съответства на определена позиция на поплавъка. Тъй като за конична тръба площта на пръстеновидната междина между нея и поплавъка е пропорционална на височината на нейното издигане, скалата на ротаметъра е еднаква.

Индустрията произвежда ротаметри със стъклени и метални тръби. При ротаметрите със стъклена тръба скалата се отпечатва директно върху повърхността на тръбата. За дистанционно измерване на позицията на поплавък в метална тръба се използват междинни преобразуватели на линейно преместване в единен електрически или пневматичен сигнал.

В ротаметрите с електрически изходен сигнал буталото на преобразувателя на диференциалния трансформатор се движи заедно с поплавъка. Ротаметрите с пневматичен изходен сигнал използват магнитен съединител за предаване на плаващата позиция към трансмитера. Състои се от два постоянни магнита. Единият - двоен - се движи с поплавъка, другият, монтиран на лоста на преобразувателя на обема в налягане на сгъстен въздух, се движи заедно с лоста след първия магнит.

Произвеждат се и ротаметри за измерване на потока на силно агресивни среди. Ротаметрите са оборудвани с кожух за парно нагряване. Те са проектирани да измерват скоростта на потока на кристализираща среда.

Разходомери с променливо ниво

От хидравликата е известно, че ако течността тече свободно през отвор в дъното на резервоара, тогава нейният дебит Q и нивото в резервоара H са взаимосвързани. Следователно по нивото в резервоара може да се съди за потока от него.

Работата на разходомери с променливо ниво се основава на този принцип. Очевидно ролята на първичен конвертор тук играе самият резервоар с дупка в дъното. Изходният сигнал на такъв преобразувател е нивото в резервоара. Следователно всеки от разглежданите нивомери може да служи като междинен преобразувател на измервателната верига на разходомер с променливо ниво.

Разходомери с променливо ниво обикновено се използват за измерване на потока на агресивни и замърсени течности, когато те се източват в контейнери под атмосферно налягане.

Електромагнитни разходомери

Работата на електромагнитните разходомери се основава на закона за електромагнитната индукция, според който се индуцира емисия в проводник, движещ се в магнитно поле. d.s, пропорционална на скоростта на движение на проводника. При електромагнитните разходомери ролята на проводник играе електропроводима течност, която протича през тръбопровод 1 и пресича магнитното поле 3 на електромагнит 2. В този случай в течността ще се индуцира емисия. д.с. U, пропорционална на скоростта на нейното движение, т.е. потокът на течността.

Изходният сигнал на такъв първичен преобразувател се измерва от два изолирани електрода 4 и 6, монтирани в стената на тръбопровода. Участъкът на тръбопровода от двете страни на електродите е покрит с електрическа изолация 7, за да се предотврати шунтирането на индуцираното електричество. д.с. през течността и стената на тръбопровода.

Степента на агресивност на измерваната среда за електромагнитни разходомери се определя от изолационния материал на тръбата и електродите на първичния преобразувател. Разходомерите използват за тази цел гума, киселиноустойчив емайл и флуоропласт. Най-устойчивият на агресивни среди е разходомерът с флуоропластично изолационно покритие и електроди, изработени от графитиран флуоропласт.

По време на работа на разходомери, нулата и калибрирането на устройството трябва да се проверяват периодично, поне веднъж седмично. За проверка първичният преобразувател се пълни с течността, която се измерва. След това превключвателят за режим на работа на лицевия панел на измервателния уред се премества в позиция „Измерване” и с потенциометъра „Нула” стрелката на измервателния уред се поставя на нулева позиция. Когато превключвателят се премести в положение „Калибриране“, стрелката на инструмента трябва да спре на 100%. В противен случай стрелката се премества до тази маркировка с помощта на потенциометъра „Калибриране“.

Отличителна черта на електромагнитните разходомери е липсата на допълнителни загуби на налягане в зоната. измервания. Това се дължи на липсата на части, стърчащи в тръбата. Особено ценно свойство на такива разходомери, за разлика от други видове разходомери, е възможността за измерване на потока на агресивни, абразивни и вискозни течности и пулпи.

Ултразвукови разходомери

Работата на тези разходомери се основава на сумирането на скоростта на разпространение на ултразвука в течност и скоростта на самия поток на течността. Излъчвателят и приемникът на ултразвукови импулси на разходомера са разположени в краищата на измервателния участък на тръбопровода. Електронният блок съдържа импулсен генератор и времемер за импулса за изминаване на разстоянието между излъчвателя и приемника.

Преди работа разходомерът се пълни с течност, чийто поток ще се измерва и се определя времето, необходимо на импулса да измине това разстояние в застояла среда. Когато потокът се движи, неговата скорост ще се увеличи със скоростта на ултразвука, което ще доведе до намаляване на времето за пътуване на импулса. Това време, преобразувано в блока в единен токов сигнал, ще бъде по-малко, колкото по-голям е дебитът, т.е. колкото по-голям е неговият дебит Q.

Ултразвуковите разходомери имат същите предимства като електромагнитните разходомери и в допълнение могат да измерват потока на непроводими течности.

Вихрови разходомери

Работата на такива разходомери се основава на феномена на появата на вихри, когато потокът се срещне с блъфово тяло. По време на работа на разходомера, вихрите се отделят последователно от противоположните страни на тялото, разположено напречно на движението на потока. Честотата на отделяне на вихъра е право пропорционална на скоростта на потока, т.е. неговия обемен дебит Q. В точката на вихъра скоростта на потока се увеличава и налягането намалява. Следователно честотата на образуване на вихри може да бъде измерена например с манометър, чийто електрически изходен сигнал се подава към честотомер.

Термични разходомери

Термичният разходомер се състои от нагревател 1 и два температурни сензора 2 и 3, които са монтирани извън тръбата 4 с измервания поток. При постоянна мощност на нагревателя, количеството топлина, взето от него от потока, също ще бъде постоянно. Следователно, с увеличаване на дебита Q, нагряването на потока ще намалее, което се определя от температурната разлика, измерена от температурни сензори 3 и 2. За измерване на високи дебити не се измерва целият поток Q, а само част от него Q1, който преминава през тръба 4. Тази тръба заобикаля участък от тръбопровод 5, снабден с дросел 6. Напречното сечение на потока на дросела определя горната граница на диапазона на измерените дебити: колкото по-голямо е това напречно секция, толкова по-високи дебити могат да бъдат измерени (при същата мощност на нагревателя).

Турбинни разходомери

При такива разходомери измереният поток задвижва турбина, въртяща се в лагери. Скоростта на въртене на турбината е пропорционална на скоростта на потока, т.е. скоростта на потока Q. За измерване на скоростта на въртене на турбината тялото й е направено от немагнитен материал. Извън корпуса е монтиран диференциален трансформаторен преобразувател, а на една от лопатките на турбината е направен ръб от феромагнитен материал. Когато това острие премине покрай преобразувателя, неговото индуктивно съпротивление се променя и напрежението на вторичните намотки U out се променя с честота, пропорционална на дебита Q. Измервателното устройство на такъв разходомер е честотомер, който измерва честотата на промените на напрежението.

Скоростомери

Тези измервателни уреди са подобни по конструкция на турбинните разходомери. Разликата между тях е, че разходомерите измерват скоростта на въртене на турбината, а броячите измерват броя на нейните обороти, който след това се преизчислява към количеството течност, преминало през измервателния уред през интересуващия ни интервал от време, за например месец.

Както е известно, веществото в течно състояние запазва обема си, но приема формата на съда, в който се намира. Нека разберем как молекулярно-кинетичната теория обяснява това.

Запазването на обема на течността доказва, че между нейните молекули действат сили на привличане. Следователно разстоянията между течните молекули трябва да бъдат по-малки от радиуса на молекулярно действие. Така че, ако опишем сфера на молекулярно действие около течна молекула, тогава вътре в тази сфера ще има центрове на много други молекули, които ще взаимодействат с нашата молекула.

Тези сили на взаимодействие задържат течната молекула близо до нейното временно равновесно положение за приблизително 10 -12 -10 -10 s, след което тя скача до ново временно равновесно положение приблизително на разстоянието на диаметъра си. Между скоковете течните молекули претърпяват осцилаторно движение около временно равновесно положение. Времето между два скока на молекула от едно положение в друго се нарича време на уреден живот. Това време зависи от вида на течността и температурата. Когато течността се нагрява, средното време на престой на молекулите намалява.

По време на заседналия живот (около 10-11 s) голяма част от молекулите на течността се задържат в равновесните си позиции и само малка част от тях успяват да се преместят в нови равновесни позиции през това време. За по-дълъг период от време повечето от течните молекули ще имат време да променят местоположението си.Следователно течността има течливост и приема формата на съда, в който се намира.

Тъй като молекулите на течността са разположенипочти близо една до друга, тогава, след като са получили достатъчно голяма кинетична енергия, въпреки че могат да преодолеят привличането на най-близките си съседи и да напуснат сферата на тяхното действие, те ще попаднат в сферата на действие на други молекули и ще се окажат в ново временно равновесно положение. Само молекули, разположени на свободната повърхност на течността, могат да излетят от течността, което обяснява процеса на нейното изпаряване.

Така че, ако много малък обем е изолиран в течност, тогава по време на установения живот в него има подредено разположение на молекулите, подобно на тяхното разположение в кристалната решетка на твърдо тяло. След това се разпада, но възниква на друго място. Така цялото пространство, заемано от течността, изглежда се състои от много кристални ядра, които обаче са нестабилни, тоест на някои места се разпадат, но на други се появяват отново.

И така, в малък обем течност има подредено подреждане на нейните молекули, но в голям обем се оказва хаотично. В този смисъл те казват, че В течността има ред в къси разстояния в подреждането на молекулите и няма ред в далечни разстояния.Тази течна структура се нарича квазикристален(подобен на кристал). Имайте предвид, че при достатъчно силно нагряване времето за утаяване става много кратко и късият ред в течността практически изчезва.

Течността може да проявява механични свойства, присъщи на твърдото вещество. Ако времето на действие на силата върху течността е кратко, тогава течността проявява еластични свойства. Например, когато пръчка рязко удари повърхността на водата, пръчката може да изхвърчи от ръката или да се счупи; Камъкът може да се хвърли така, че когато се удари в повърхността на водата, той отскача от нея и едва след като направи няколко скока, потъва във водата.Ако времето на излагане на течността е дълго, тогава вместо еластичност, течливосттечности. Например, ръката лесно прониква във водата.

Когато се приложи сила към поток от течност за кратко време, последният открива крехкост. Якостта на опън на течността, макар и по-малка от тази на твърдите вещества, не е много по-ниска от тях по величина. За водата е 2,5 * 10 7 Pa. Свиваемосттечността също е много малка, въпреки че е по-голяма от тази на същите вещества в твърдо състояние. Например, когато налягането се увеличи с 1 atm, обемът на водата намалява с 50 ppm.

Счупвания в течност, която не съдържа чужди вещества, например въздух, могат да възникнат само при интензивно въздействие върху течността, например, когато витлата се въртят във вода или когато ултразвуковите вълни се разпространяват в течността. Този вид празнота вътре в течността не може да съществува дълго време и внезапно се свива, т.е. изчезва.Това явление се нарича кавитация(от гръцки "cavitas" - кухина). Това води до бързо износване на витлата.

И така, течностите имат много общи свойства със свойствата на твърдите вещества. Но колкото по-висока става температурата на течността, толкова повече нейните свойства се доближават до свойствата на плътните газове и толкова повече се различават от свойствата на твърдите тела.Това означава, че течното състояние е междинно между твърдото и газообразното състояние на веществото.

Нека също така да отбележим, че когато дадено вещество преминава от твърдо в течно състояние, настъпва по-малко драматична промяна в свойствата, отколкото когато то преминава от течно в газообразно състояние. Това означава, че най-общо казано, свойствата на течното състояние на дадено вещество са по-близки до свойствата на твърдото състояние, отколкото до свойствата на газообразното състояние.

Привличането и отблъскването на частиците определя тяхното взаимно положение в материята. И свойствата на веществата значително зависят от подреждането на частиците. И така, гледайки прозрачен, много твърд диамант (диамант) и мек черен графит (от него се правят писци за моливи), ние не осъзнаваме, че и двете вещества се състоят от абсолютно същите въглеродни атоми. Просто тези атоми са подредени по различен начин в графита, отколкото в диаманта.

Взаимодействието на частиците на веществото води до факта, че то може да бъде в три състояния: твърд, течностИ газообразен. Например лед, вода, пара. Всяко вещество може да бъде в три състояния, но това изисква определени условия: налягане, температура. Например кислородът във въздуха е газ, но при охлаждане под -193 °C се превръща в течност, а при -219 °C кислородът е твърдо вещество. Желязото при нормално налягане и стайна температура е в твърдо състояние. При температури над 1539 °C желязото става течно, а при температури над 3050 °C става газообразно. Течният живак, използван в медицинските термометри, става твърд при охлаждане под -39 °C. При температури над 357 °C живакът се превръща в пари (газ).

Чрез превръщането на металното сребро в газ, то се напръсква върху стъкло, за да се създадат „огледални“ очила.

Какви свойства имат веществата в различни състояния?

Да започнем с газовете, в които поведението на молекулите наподобява движението на пчелите в рояк. Въпреки това, пчелите в рояк независимо променят посоката на движение и практически не се сблъскват една с друга. В същото време за молекулите в газа подобни сблъсъци са не само неизбежни, но се случват почти непрекъснато. В резултат на сблъсъци посоките и скоростите на молекулите се променят.

Резултатът от такова движение и липсата на взаимодействие между частиците по време на движение е това газът не запазва нито обем, нито форма, но заема целия предоставен му обем. Всеки от вас ще сметне за пълен абсурд следните твърдения: „Въздухът заема половината от обема на стаята“ и „Напомпах въздух в две трети от обема на гумена топка“. Въздухът, като всеки газ, заема целия обем на помещението и целия обем на топката.

Какви свойства имат течностите? Нека проведем експеримент.

Изсипете вода от една чаша в чаша с друга форма. Формата на течността се е променила, Но обемът остана същият. Молекулите не се разпръснаха в целия обем, както би било в случая с газ. Това означава, че взаимното привличане на течните молекули съществува, но то не задържа твърдо съседните молекули. Те вибрират и скачат от едно място на друго, което обяснява течливостта на течностите.

Най-силното взаимодействие е между частиците в твърдото тяло. Не позволява на частиците да се разпръснат. Частиците извършват само хаотични колебателни движения около определени позиции. Ето защо твърдите вещества запазват както обема, така и формата. Гумената топка ще запази формата и обема си на топката, независимо къде е поставена: в буркан, на маса и т.н.

Течността, заемаща междинна позиция между газове и кристали, съчетава свойствата и на двата вида на тези тела.

1. Като твърдо вещество, течност ниска свиваемост поради плътното разположение на молекулите. (Въпреки това, ако водата може да бъде напълно освободена от компресия, нивото на водата в световните океани ще се повиши с 35 m и водата ще наводни 5 000 000 km 2 земя.)

2. Като твърдо вещество, течност запазва обема , но като газ приема формата на съд .

3. За кристалиХарактеристика дълга поръчкав подреждането на атомите (кристална решетка), за газове- пълен хаос. За течностима междинно състояние - затворете поръчката , т.е. подреждането само на най-близките молекули е подредено. При отдалечаване от дадена молекула на разстояние от 3–4 ефективни диаметъра на молекулата, редът се замъглява. Следователно течностите са близки до поликристални тела, състоящи се от много малки кристали (около 10  9 m), произволно ориентирани един спрямо друг. Поради това свойствата на повечето течности са еднакви във всички посоки (и няма анизотропия, както при кристалите).

4. Повечето течности, като твърди вещества, с повишаване на температурата увеличават обема си , като същевременно намалява плътността му (при критична температура плътността на течността е равна на плътността на нейните пари). вода е различен известен аномалия , състоящ се в това, че при +4 С водата има максимална плътност. Тази аномалия се обяснява с факта, че водните молекули частично се събират в групи от няколко молекули (клъстери), образувайки особени големи молекули н 2 ОТНОСНО, (н 2 ОТНОСНО) 2 , (н 2 ОТНОСНО) 3 ... с различна плътност. При различни температури съотношението на концентрациите на тези групи молекули е различно.

Съществуват аморфни тела (стъкло, кехлибар, смоли, битуми...), които обикновено се считат за свръхохладени течности с много висок коефициент на вискозитет. Те имат еднакви свойства във всички посоки (изотропни), близък ред в подреждането на частиците, нямат точка на топене (при нагряване веществото постепенно се размеква и преминава в течно състояние).

Използва се в техниката магнитни течности – това са обикновени течности (вода, керосин, различни масла), в които се въвеждат (до 50%) малки частици (с размери няколко микрона) от твърд феромагнитен материал (напр. Fe 2 О 3). Движението на магнитната течност и нейният вискозитет могат да се контролират от магнитно поле. В силни магнитни полета магнитната течност моментално се втвърдява.

Някои органични вещества, чиито молекули имат нишковидна форма или формата на плоски плочи, могат да бъдат в специално състояние, притежавайки едновременно свойствата на анизотропия и течливост. Те се наричат течни кристали . За промяна на ориентацията на молекулите на течния кристал (това променя неговата прозрачност) е необходимо напрежение от около 1 V и мощност от порядъка на микровата, което може да се постигне чрез директно подаване на сигнали от интегрални схеми без допълнително усилване. Поради това течните кристали се използват широко в индикатори за електронни часовници, калкулатори и дисплеи.

Когато водата замръзне, нейният обем се увеличава с 11%, а ако водата замръзне в затворено пространство, може да се достигне налягане от 2500 атмосфери (разрушават се водопроводи, скали...).

Води един от най-големите: 1) диелектричната константа(следователно водата е добър разтворител, особено солите с йонни връзки - Световният океан съдържа цялата периодична таблица); 2) топлина на топене(бавно топене на снега през пролетта); 3) топлина изпаряване; 4) повърхностно напрежение; 5) топлинен капацитет(мек климат на крайбрежните райони).

Съществува светлина (1 g/cm3) и тежък (1,106 g/cm3) вода . Лека вода („жива”) – биологично активна – протиев оксид н 2 ОТНОСНО. Тежка вода („мъртва“) - потиска жизнената активност на организмите - това е деутериев оксид д 2 О. Протий (1 amu), деутерий (2 amu) и тритий (3 amu) са изотопи на водорода. Има и 6 изотопа на кислорода: от 14 ОТНОСНОдо 19 ОТНОСНО, който може да се намери във водна молекула.

При третиране на вода магнитно поле свойствата му се променят: променя се омокряемостта на твърдите вещества, ускорява се разтварянето им, променя се концентрацията на разтворените газове, предотвратява се образуването на котлен камък в парните котли, втвърдяването на бетона се ускорява 4 пъти и якостта му се увеличава с 45%, има биологичен ефект върху хората (магнитни гривни и обеци, магнетофони и др.) и растенията (повишава се кълняемостта и продуктивността на селскостопанските култури).

Сребърна вода може да се съхранява дълго време (около шест месеца), тъй като водата се неутрализира от микроби и бактерии чрез сребърни йони (използвани в космонавтиката, за консервиране на храна, дезинфекция на вода в басейни, за медицински цели за превенция и контрол на стомашно-чревни заболявания и възпалителни процеси).

Дезинфекция на питейна вода в градските водопроводиизвършва се чрез хлориране и озониране на водата. Съществуват и физически методи за дезинфекция с ултравиолетово лъчение и ултразвук.

Газова разтворимост във вода зависи от температурата, налягането, солеността и наличието на други газове във водния разтвор. В 1 литър вода при 0 °C могат да се разтворят: хелий - 10 ml, въглероден диоксид - 1713 ml, сероводород - 4630 ml, амоняк - 1 300 000 ml (амоняк). Когато се гмуркат на голяма дълбочина, водолазите използват специални дихателни смеси, така че когато се издигат, да не получават „газирана кръв“ поради разтварянето на азот в нея.

всичко живи организми 60–80% се състои от вода. Съставът на солите в кръвта на човека и животните е близък до този на океанската вода. Хората и животните могат да синтезират вода в телата си, образувайки я при изгарянето на хранителни продукти и самите тъкани. При една камила, например, мазнината, съдържаща се в гърбицата, може да даде 40 литра вода в резултат на окисление.

При електролиза Можете да получите два вида вода: 1) кисела вода („мъртва“), която действа като антисептик (подобно на това колко патогенни микроби умират в киселия стомашен сок); 2) алкална вода („жива“), която активира биологичните процеси (увеличава производителността, по-бързо заздравява рани и др.).

За други характеристики на водата (структурирани, енергийно-информационни и др.) можете да научите от Интернет.

ТРИЗ задача 27. Воден работник

Най-често различни механизми имат „твърдо състояние“ работни органи. Дайте примери за технически устройства, в които работният елемент е вода (течност). На какви закони на развитие на техническите системи отговаря такъв работен орган?

ТРИЗ задача 28. Вода в сито

В известния проблем " Как се носи вода в сито? има ясно физическо противоречие: ситото трябва да има дупки, за да могат през него да се пресяват насипни вещества и да няма дупки, за да не изтича вода. Едно от възможните решения на този проблем може да се намери в Ya.I. Перелман в „Забавна физика“, където се предлага ситото да се спусне в разтопен парафин, така че мрежата на ситото да не се намокри с вода. Базиран техники за премахване на техническиИ физически противоречияпредложете 10–20 други начина за решаване на този проблем.