1 Лекция 3. Особенности молекулярного строения жидкостей.

Скачать презентацию 1 Лекция 3. Особенности молекулярного строения жидкостей. Скачать презентацию 1 Лекция 3. Особенности молекулярного строения жидкостей.

lekciya_3_19.09.16.ppt

  • Размер: 1.7 Мб
  • Автор:
  • Количество слайдов: 34

Описание презентации 1 Лекция 3. Особенности молекулярного строения жидкостей. по слайдам

1 Лекция 3. Особенности молекулярного строения жидкостей.  Поверхностные явления.  Гидростатика. Законы гидродинамики.1 Лекция 3. Особенности молекулярного строения жидкостей. Поверхностные явления. Гидростатика. Законы гидродинамики. Вязкость жидкости.

2 Связь с последующей деятельностью Изучение курса «Биофизика» : 1. Гемодинамика 2. Биофизика дыхания2 Связь с последующей деятельностью Изучение курса «Биофизика» : 1. Гемодинамика 2. Биофизика дыхания Практическое применение: 1. Пульмонология 2. Гематология

3 S n. F p S  Па м H p 2 Давление силы3 S n. F p S Па м H p 2 Давление силы на поверхность Начальные понятия: Сила давления на поверхность независимо от природы силы: перпендикулярна поверхности тела в любой точке тела F p. S Действует на тело «снаружи»

4 Жидкости. Характер теплового движения молекул жидкости. Силы взаимодействия между молекулами велики Свойства жидкостей:4 Жидкости. Характер теплового движения молекул жидкости. Силы взаимодействия между молекулами велики Свойства жидкостей: 1. Сохраняют объем 2. Не сохраняют форму (текучи) 3. В толще жидкости возникают упругие деформации только растяжения – сжатия 10 13 колебаний в секунду

5 Идеальная жидкость: 1. Изотропность всех физических свойств 2. Абсолютная несжимаемость 3. Абсолютная текучесть5 Идеальная жидкость: 1. Изотропность всех физических свойств 2. Абсолютная несжимаемость 3. Абсолютная текучесть (отсутствие сил внутреннего трения) Гидростатика Рассматривается жидкость в состоянии покоя Жидкость считается сплошной средой, состоящей из частиц с размерами много большими молекулярных

6 Внутри жидкости Силы, действующие на частицу со стороны других частиц компенсируют друга →6 Внутри жидкости Силы, действующие на частицу со стороны других частиц компенсируют друга → частица покоится Поверхностный слой жидкости Граница раздела Фаза 2 – жидкость n 2 Фаза 1 – пар (газ) n 11 i F r 2 i F r 1 2 n npp F r F p S

7 Поверхность жидкости ведет себя подобно пленке из упругого материала, стремящейся максимально уменьшить площадь7 Поверхность жидкости ведет себя подобно пленке из упругого материала, стремящейся максимально уменьшить площадь поверхности жидкости F p S 2σ σ AДж Н Sм м Характеристика поверхностных свойств жидкости – коэффициент поверхностного натяжения: Численно равен работе по изотермическому образованию единицы поверхности:

8σ F l. Поверхность жидкости Мыльная пленка (Н 2 О + ПАВ): Рамка. Подвижная8σ F l. Поверхность жидкости Мыльная пленка (Н 2 О + ПАВ): Рамка. Подвижная перемычка F r Мыльная пленка l 22σF l Сила F поверхностного натяжения, действующая на участок (контур), ограничивающий поверхность жидкости

9 Следствия: 1. Состояние невесомости  → поверхность жидкости – сфера (минимальная площадь поверхности9 Следствия: 1. Состояние невесомости → поверхность жидкости – сфера (минимальная площадь поверхности для данного объема) 2. Образование капель на конце капилляра при вытекании из него жидкости: mg uuur F r В момент отрыва капли: σmg F l Капельный метод определения σ

103. Поднятие жидкости в капиллярной трубке: Жидкость плотностью ρ , абсолютно смачивающая поверхность капилляра.103. Поднятие жидкости в капиллярной трубке: Жидкость плотностью ρ , абсолютно смачивающая поверхность капилляра. Капилляр с каналом радиуса r h Высота поднятия жидкости: mg F ® 2 σ ρh gr

11 Sh ж m g r F p S С ρ ρж ж жm11 Sh ж m g r F p S С ρ ρж ж жm g Vg p gh S S Гидростатическое давление столба жидкости: Следствие: на тело, погруженное в жидкость (газ) действует суммарная сила гидростатического давления (сила Архимеда): F r. ρж погр. F V g

12 Закон Паскаля Давление, производимое на поверхность жидкости (газа), передается во все точки жидкости12 Закон Паскаля Давление, производимое на поверхность жидкости (газа), передается во все точки жидкости (газа) без изменения. 0 BH. абсp p p Абсолютное давление (следствие) складывается из «внутренних» давлений, обусловленных свойствами системы (внутренние причины) и внешнего атмосферного давления (внешняя причина) 5 010 760. . p. Па мм рт ст Нормальное атмосферное давление:

13. BH. избp p Суммарное «внутреннее» давление – избыточное над атмосферным. Измеряется манометром. Атмосферное13. BH. избp p Суммарное «внутреннее» давление – избыточное над атмосферным. Измеряется манометром. Атмосферное давление измеряется барометром Абсолютное давление: . 0. абс избp p p

14 Абсолютное давление (основное уравнение гидростатики): . 0 абсp p gh  0 p14 Абсолютное давление (основное уравнение гидростатики): . 0 абсp p gh 0 p h. Пример: абсолютное давление на глубине h в водоеме «Внутреннее» гидростатическое давление: . Сp p gh «Внешнее» атмосферное давление: 0 p

15 Для течения (движения) жидкости (следствия)  необходим источник энергии (причина) Рельеф местности Источник15 Для течения (движения) жидкости (следствия) необходим источник энергии (причина) Рельеф местности Источник Потребитель 0 0 h h Источник: потенциальная энергия источника относительно потребителя – гидростатический напор ρ gh. Гидродинамика рассматривает причины и следствия течения жидкости

16 Общая гидродинамическая схема Источник энергии (насос) Потребитель. Трубопровод. истр. потрр Сердце Орган 116 Общая гидродинамическая схема Источник энергии (насос) Потребитель. Трубопровод. истр. потрр Сердце Орган 1 Артериальная часть Орган 2 Орган i Венозная часть. 1 избр. 2 избр

17 сечение 1 сечение 21 v r 2 v r 1 стp 2 ст17 сечение 1 сечение 21 v r 2 v r 1 стp 2 ст p h 2 h 1 h S 1 S 2 Участок трубы с идеальной жидкостью Уравнение неразрывности струи (следствие несжимаемости): v. VQ S const ρ vm. Q S const v – скорость жидкости в данном сечении h – высота сечения относительно условного « 0» S – площадь сечения

181.  р ст.  – статическое давление на выделенное сечение  «снаружи» ,181. р ст. – статическое давление на выделенное сечение «снаружи» , связанное с работой по перемещению объема жидкости против сил давления Составляющие абсолютного давления: . 0. абс избp p p Атмосферное давление: 01 02 0 p p p Составляющие избыточного давления:

19 «источник»  «остаток системы» Трубопровод. 1 стр. 2 стр р ст. 1 –19 «источник» «остаток системы» Трубопровод. 1 стр. 2 стр р ст. 1 – статическое давление со стороны «источника» р ст. 2 – статическое давление со стороны «остальной» части системы (противодавление) 2. р дин. – динамическое давление связанное с движением (кинетической энергией движения) жидкости: 2. ρv 2 динp 2 v 2 m 1 v r 2 v r

203.  р ГС – гидростатическое давление, связанное с положением сечения относительно условного «203. р ГС – гидростатическое давление, связанное с положением сечения относительно условного « 0» (потенциальной энергией положения): h. Сp gh mgh . BH. . . ГСизб ст динp pр р р Суммарное избыточное давление в данном сечении:

212 2 1 2. 1 1. 2 2 ρv ρv ρ ρ 2 2212 2 1 2. 1 1. 2 2 ρv ρv ρ ρ 2 2 ст стp gh const Уравнение Бернулли (закон сохранения энергии): Трубопровод. 1 избр. 2 избр Жидкость идеальная → → нет потерь давления: . 1. 2 изб избр р const

22 Реальная жидкость - модель природной жидкости,  характеризующаяся изотропностью всех физических свойств, но22 Реальная жидкость — модель природной жидкости, характеризующаяся изотропностью всех физических свойств, но в отличие от идеальной модели, обладает внутренним трением при движении F. . BH TP F r Поверхность жидкости v 0 const a 1 0 0 n i i a F r

23 Слой жидкости, движущийся быстрее, ускоряет более медленно движущийся слой, и наоборот. Взаимодействие слоев23 Слой жидкости, движущийся быстрее, ускоряет более медленно движущийся слой, и наоборот. Взаимодействие слоев жидкости, движущихся с различными скоростями определяет внутреннее трение z Характеристика неравномерности направленного движения слоев – градиент скорости : Δ z Δ v dzd z vv ®

24 Закон Ньютона для вязкого трения: . . v ηBH TP d F S24 Закон Ньютона для вязкого трения: . . v ηBH TP d F S dz ηПа с – коэффициент динамической вязкости Численно равен силе внутреннего трения, приходящейся на единичную поверхность соприкосновения слоев при единичном градиенте скорости Коэффициент кинематической вязкости: η ν ρ 2 ν м с

25 Ньютоновские жидкости: v η d f dz  Неньютоновские жидкости: v η d25 Ньютоновские жидкости: v η d f dz Неньютоновские жидкости: v η d f dz Сила Стокса ρ Ж m mg uuur. F r. C F r vconst r 0 i CF mg F F uuurr r r v. CF rr – сила Стокса 6 πη v CF r Для шарика радиуса r :

26 Течение ньютоновской вязкой жидкости по круглой гладкой трубе с жесткими стенками Заданы: длина26 Течение ньютоновской вязкой жидкости по круглой гладкой трубе с жесткими стенками Заданы: длина трубы l ; радиус трубы R ; свойства жидкости: плотность ρ и вязкость η ; перепад давлений на торцах трубы: р 1 – р 2 l R ρ, η 1 p 2 p

27 Задачи: 1. Описать распределение скоростей частиц жидкости по сечению трубы: найти зависимость скорости27 Задачи: 1. Описать распределение скоростей частиц жидкости по сечению трубы: найти зависимость скорости частиц жидкости от радиальной координаты (расстояния от частицы до оси трубы) )( 4)(v 22 21 r. R l pp r Вывод: скорость максимальна на оси трубы, у стенок скорость равна нулю ( «прилипание» )

2841 2πρ 8 η mp p Q R l Уравнение Пуазейля: 2. Определить расход2841 2πρ 8 η mp p Q R l Уравнение Пуазейля: 2. Определить расход жидкости через трубу Причина. Следствие Общее свойство жидкости и трубы 1 2 m p p Q R 1 2 I R m Q I 1 2 p p 4 8 l R R R Г – гидравлическое сопротивление трубы

29 Трубопровод. 1 избр. 2 избр Идеальная жидкость: р изб. 1 – давление в29 Трубопровод. 1 избр. 2 избр Идеальная жидкость: р изб. 1 – давление в сечении 1; р изб. 2 – давление в сечении 2. 1. 2 изб избр р const Вязкая жидкость: 1 m. Q 2 m. Q 1 1 2 2ρ v ρ vm m. Q S 2 2 ρv ρ 2 стp gh 2 1. 1 1 ρv ρ 2 стp gh . 1. 2 изб р р Потеря давления на вязкое трение: . . 1. 2 изб изб mр р р Q R

30 Аналогия с передачей электроэнергии ЭЭИ с т о ч н и к н30 Аналогия с передачей электроэнергии ЭЭИ с т о ч н и к н а п р я ж е н и я 1 2 φ φU 1φ 2φ П р и е м н и к Э Э р е з и с т о р R ЛЭП r = 0 U U 0 ЛЭПU 1 2 φ φU 1φ 2φ U I R ЛЭП r ≠ 0 r R R U I R r U U 0 ЛЭПU Ir Потеря напряжения:

31 Для произвольных труб (сосудов): 4 8 l R R – выполняется качественно: ηR31 Для произвольных труб (сосудов): 4 8 l R R – выполняется качественно: ηR l R ρR R R 1 2 m p p Q R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 1 p 2 p 1 2 3 4 5 R R R 2, 3, 4 2 3 4 1 1 R R

32 Ламинарное течение (слоевое) Траектории отдельных частиц не пересекаются Турбулентное течение (вихревое) Траектории вихревые,32 Ламинарное течение (слоевое) Траектории отдельных частиц не пересекаются Турбулентное течение (вихревое) Траектории вихревые, пересекают друга Характер течения определяется значением критерия Рейнольдса: ddv η ρv Re. Re Re Re p Re Ref

33 Re критическое круглые = 2300 Re  крови критическое = 970 ± 8033 Re критическое круглые = 2300 Re крови критическое = 970 ± 80 Общие выводы: 1. «Движущей силой» течения любой жидкости является перепад давления 2. Для любых жидкостей справедливо уравнение неразрывности

342 2 2 1 1ρv ρv ρ ρ 2 2 gh p  3.342 2 2 1 1ρv ρv ρ ρ 2 2 gh p 3. Уравнение Бернулли для реальных жидкостей имеет качественный (неколичественный) характер: Причина – потери давления на вязкое трение и на «геометрию» канала течения 4. Уравнение Пуазейля для реальных жидкостей имеет качественный (неколичественный) характер: 1 2 p p Q R ( , v, , )R f l R