Богословский - Физические Свойства Газов И Жидкостей

Б74 Физические свойства газов и жидкостей: Учеб. пособие/ СПбГУАП. СПб., 2001. 73 с.: ил.

Составлено в соответствии с действующей программой курса «Аэро-

динамика». Содержит описание основных физических свойств газов и жидкостей, используемых при математическом моделировании движения аэрогидродинамических объектов.

Предназначено для студентов всех специальностей и форм обучения.

кафедра аэродинамики и динамики полета АГА; кандидат технических наук доцент БГТУ В.А. Бородавкин

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

С. В. Богословский, 2001

При исследованиях и проектировании технических систем используется мощный математический аппарат и современная вычислительная техника. Однако определяющую роль в получении оптимальных решений играет инженер-проектировщик. Основная задача, которую должен решать проектировщик, заключается в разработке и исследовании адекватных математических моделей поведения как всей технической системы, так и ее функциональных частей (в том числе, органов и систем автоматического управления) в различных условиях полета.

Отечественными и зарубежными учеными к настоящему времени созданы теоретические основы качественного проектирования ТС, включающие аэростатику, кинематику и газовую динамику жидкостей и газов как сплошных сред. Все эти научные направления базируются на информации о физических свойствах газов и газовых потоков, основанной на молекулярно-кинетических теориях жидкостей и газов.

Физические свойства жидкостей и газов будем изучать с целью дальнейшего использования полученных знаний при решении задач: исследования и проектирования транспортных средств (ТС) новейших конструкций; это могут быть дирижабли, вертолеты, самолеты, космические аппараты; исследования причин нештатных ситуаций при эксплуатации ТС; разработки мероприятий по предотвращению и ликвидации нежелательных последствий нештатных ситуаций.

Информация о физических свойствах жидкостей и газов учитывается как при выборе вида математической модели, так и при определении коэффициентов (параметров) различных функциональных зависимостей и дифференциальных уравнений.

Для описания движения жидкостей и газов, как систем, состоящих из очень большого числа частиц, используются методы математической статистики. В тех случаях, когда описание свободномолекулярного движения газа (учитывающего движения единичных молекул) оказывается слишком громоздким, переходят к составлению макромоделей на основе понятия сплошной среды. Составление кинематических уравне-

ний движения макроскопических объемов газа используется в аэрогазодинамике. Задачи газовой динамики при проектировании ТС и других разнообразных аппаратов, двигателей и газовых машин состоят в определении сил давления и трения, температуры и теплового потока в любой точке обтекаемой газом поверхности в любой момент времени.

Изучение движения электропроводных газов в присутствии магнитных и электрических полей составляет предмет магнитогазодинамики. В аэродинамике разрабатываются методы определения аэродинамических сил и моментов, действующих на ТС в целом и на его части – крыло, фюзеляж, оперение, воздушные винты и т. д. В динамике полета разрабатываются методы определения параметров траектории и углового движения управляемых и неуправляемых ТС. Все эти методы базируются на использовании результатов аэродинамических расчетов.

Строгое разграничение между физикой и прикладными науками провести затруднительно, поэтому в данном пособии речь пойдет только о таких свойствах, которые либо могут быть формально выведены из свойств частиц газа (в том числе, из свойств атомов и молекул), либо могут быть сопоставлены некоторым числам (например, числам Авогадро, Больцмана, Лошмидта), являющимися физическими постоянными, используемыми в прикладной аэрогазодинамике.

В учебном пособии дается представление об основных понятиях и математических моделях физических свойств газов и жидкостей. Глубже изучить курс можно по литературе, указанной в библиографическом списке.

1. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego – присоединяю, связываю) – это состояния одного и того же вещества, переходам между которыми соответствуют скачкообразные изменения свободной энергии, энтропии, плотности и других физических параметров вещества.

Газ (французское gaz, происшедшее от греческого chaos – хаос) – это агрегатное состояние вещества, в котором силы взаимодействия его частиц, заполняющих весь предоставленный им объем, пренебрежимо малы. В газах межмолекулярные расстояния велики и молекулы движутся практически свободно.

Газы можно рассматривать как значительно перегретые или малонасыщенные пары. Над поверхностью каждой жидкости вследствие испарения находится пар. При повышении давления пара до определенного предела, называемого давлением насыщенного пара, испарение жидкости прекращается, так как давление пара и жидкости становится одинаковым. Уменьшение объема насыщенного пара вызывает конденсацию части пара, а не повышение давления. Поэтому давление пара не может быть выше давления насыщенного пара. Состояние насыщения характеризуется массой насыщения, содержащейся в 1 м 3 массой насыщенного пара, которая зависит от температуры. Насыщенный пар может стать ненасыщенным, если увеличивать его объем или повышать температуру. Если температура пара много выше точки кипения, соответствующей данному давлению, пар называется перегретым.

Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества состоят из газов – нейтральных или ионизованных (плазмы). В отличие от других агрегатных состояний плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях, но не обладают ни ближним, ни дальним порядками в расположении частиц.

Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкостям присущи некоторые черты твердого вещества (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится). Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Одновременно происходят медленные перемещения молекул и их колебания внутри малых объемов. астые перескоки молекул нарушают дальний порядок в расположении частиц и обусловливают текучесть жидкостей, а малые колебания около положений равновесия обусловливают существование в жидкостях ближнего порядка.

Жидкости и твердые вещества, в отличие от газов, можно рассматривать как высоко конденсированные среды. В них молекулы (атомы) расположены значительно ближе друг к другу и силы взаимодействия на несколько порядков больше, чем в газах. Поэтому жидкости и твердые вещества имеют существенно ограниченные возможности для расширения, заведомо не могут занять произвольный объем, а при постоянных давлении и температуре сохраняют свой объем, в каком бы объеме их не размещали.

Переходы из более упорядоченного по структуре агрегатного состояния в менее упорядоченное могут происходить и непрерывно. В связи с этим вместо понятия агрегатного состояния целесообразно пользоваться более широким понятием – понятием фазы.

Фазой называется совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одинаковом состоянии. Это оправдано одновременным существованием термодинамически равновесных фаз в многофазной системе: жидкости со своим насыщенным паром; воды и льда при температуре плавления; двух несмешивающихся жидкостей (смесь воды с триэтиламином), отличающихся концентрациями; существованием аморфных твердых веществ, сохраняющих структуру жидкости (аморфное состояние).

Аморфное твердое состояние вещества является разновидностью переохлажденного состояния жидкости и отличается от обычных жидкостей существенно большей вязкостью и численными значениями кинетических характеристик.

Кристаллическое твердое состояние вещества – это агрегатное состояние, которое характеризуется большими силами взаимодействия

между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами). Частицы твердых тел совершают колебания около средних равновесных положений, называемых узлами кристаллической решетки; структура этих веществ характеризуется высокой степенью упорядоченности (дальним и ближним порядком) – упорядоченностью в расположении (координационный порядок), в ориентации (ориентационный порядок) структурных частиц, или упорядоченностью физических свойств (например, в ориентации магнитных моментов или электрических дипольных моментов).

Область существования нормальной жидкой фазы для чистых жидкостей, жидкого 4 Не и жидких кристаллов ограничена со стороны низких температур фазовыми переходами соответственно в твердое (кристаллизацией), сверхтекучее и жидко-анизотропное состояние.

Температуры плавления и кипения данного вещества зависят от давления. Эти функциональные зависимости можно представить графически (рис.1).