(1.4.1)--液体的基本物理性质.pdf

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1、1.3 液体的基本物理性质【讨论】液体的物理性质主要有哪些？液体的物理性质主要有：液体的密度、粘度、膨胀性、液体的表面张力等。了解了液体的基本物理性质，是为学习水静力学和水动力学等内容打基础。【学习目标】理解流体几个主要物理性质的特征和度量方法，重点掌握流体的重力特性、惯性、粘滞性，包括牛顿内摩擦定律及其适用条件。物质通常有 3 种存在形态：固体、液体和气体，后两者合称为流体。从宏观角度来说，流体和固体的主要区别在变形方面。固体能保持固定的形状和体积，而液体在静止状态下只能承受压力，不能承受拉力和切力。液体和气体的主要区别在于压缩性（膨胀性）。液体的压缩性极小，而气体的压缩性和膨胀性要大得多。

2、1.3.1 惯性、质量和密度 物体具有保持原有运动状态的物理性质，叫做惯性。质量是物体惯性的度量，质量越大，惯性越大。液体单位体积所具有的质量为密度，用 表示，其国际单位为千克/立方米（kg/m3）。对于均质液体，假设其质量为 m，体积为 V，则其密度表达式为：mV=（1-1）对于非均质液体，由连续介质假设可写为：0limVmV=（1-2）式中，m 为任意微元的液体质量；V 为任意微元的液体体积。液体的密度随压强和温度而变化，但这种变化一般极微小，故液体的密度可视为常数。不同温度下水的各种物理性质见表 1-1.表 1-1 不同温度下水的物理性质 温度 T/密度/(kg/m3)重度/(kN/m3

3、)动力粘度/(10-3Ns/m2)运动粘度/(10-6 m2/s)体积模量K/(109N/m2)表面张力系数/(N/m)0 999.9 9.805 1.781 1.785 2.02 0.0756 5 1000.0 9.807 1.518 1.519 2.06 0.0749 10 999.7 9.804 1.307 1.306 2.10 0.0742 15 999.1 9.798 1.139 1.139 2.15 0.0735 20 998.2 9.789 1.002 1.003 2.18 0.0728 25 997.0 9.777 0.890 0.893 2.22 0.0720 30 995.

4、7 9.764 0.798 0.800 2.25 0.0712 40 992.2 9.730 0.653 0.658 2.28 0.0696 50 988.0 9.689 0.547 0.553 2.29 0.0679 60 983.2 9.642 0.466 0.474 2.28 0.0662 70 977.8 9.589 0.404 0.413 2.25 0.0644 80 971.8 9.530 0.354 0.364 2.20 0.0626 90 965.3 9.466 0.315 0.326 2.14 0.0608 100 958.4 9.399 0.282 0.294 2.07 0

5、.0589 地球上的任何物体都要受到地心引力的作用，这个引力就是重力，用 G 来表示。如果设物体的质量为 m，重力加速度为 g，则重量 G 可表示为：Gmg=（1-3）重量的国际单位是 N。单位体积液体的重量称为重度，也叫容重或重率，用 来表示。GmggVV=（1-4）1.3.2 粘滞性和粘度系数 液体具有易流动性，一旦受到剪切力就会发生连续变形。在这一过程中，液体具有抵抗变形的能力，就是液体的粘滞性。粘滞性是对流动状态下液体抵抗剪切变形速率能力的度量。牛顿在 1686 年提出并经后人大量试验验证的牛顿内摩擦定律，以液体的二元平行直线运动为例来分析粘性与抵抗剪切变形的力和液体剪切变形速率之间的

6、关系（见图 1.11）。液体沿固体表面作二元平行直线运动时，流层间的内摩擦力（或称切力）F 的大小与液体的性质有关，并与横向流速梯度 du/dy 和接触 A 面积成正比，而与接触面上的压力无关。其表达式为：duFAdy=（1-5）将式（1-5）两端同除以 A，可得出单位面积上的内摩擦力（或称为切应力）。dudy=（1-6）式（1-5）和式（1-6）中的 为比例系数，叫做粘度或粘滞系数，国际单位为 Pas，量纲为ML-1T-1，是动力学的量纲，所以 被称为动力粘度。粘度 是粘滞性的度量，值越大，粘滞性作用越强。不同液体的 值各不相同，且随压强和温度的变化而发生改变。液体粘度的大小还可以用 来表示

7、。=（1-7）式中 为液体粘度系数，为液体密度。所以 的量纲为 L2T1，国际单位为 m2/s。由其量纲可以看出 是一个运动学参量，所以 被称为运动粘度系数。不同温度时水的 和 值见表1-1。a b d u+du u dy a b 图 1-11 液体沿固体壁面作二元平行直线运动 应该指出，牛顿的内摩擦定律并不是适用于所用的液体，而是仅适用于如图 1-12 所示的一般流体 A。凡是复合牛顿内摩擦定律的流体为牛顿流体。而不符合牛顿内摩擦定律的流体为非牛顿流体。图 1-12 中线 A 代表的是牛顿流体，如空气、水和酒精等。线 B 为宾汉塑性流体，如泥浆、血浆和牙膏等。线 C 为拟塑性流体，如橡胶、油

8、漆和油画颜料等。线 D 为膨胀流体，如生面团和淀粉糊等。所以应用牛顿内摩擦定律解决问题时，应该注意其使用范围。图 1-12 各种液体的切应力与切应变的关系 1.3.3 液体的压缩性与表面张力 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 K 表示，是液体体积的相对压缩值 dV/V 与流体的压强增值 dp 之比。/dV Vdp=（1-8）的数值越大，液体越容易压缩。由于体积随压强的增大而减小，所以 dV/V 与 dp 的符号相反。液体的体积弹性模量 K 是体积压缩系数 的倒数，K 值越大，液体越不容易压缩。1/d

9、pKdV V=（1-9）0 du/dy D 膨胀流体 A 牛顿流体 C 拟塑性流体 B 宾汉塑性流体 dudt y dy du x,u c d c d K 的单位是 N/m2。不同温度时水的 K 值见表 1-1。在液体内部，液体分子之间的作用力，即内聚力是相互平衡的。但是在液体与气体交界的自由面上内聚力不能平衡，表面张力是液体自由表面在分子作用半径一薄层内由于分子引力大于斥力而在表层沿表面方向产生的拉力。液体表面张力的大小与它和何种物质组成交界面有关，它的方向是与自由液面相切的，所以表面张力的大小可以用液体表面上单位长度所受的张力来表示，也就是表面张力系数，国际单位为 N/m。不同温度下水表面张力系数值见表 1-1。