السوائل ذات معامل التمدد العالي. معامل التمدد الحراري

الصفحة الرئيسية> القانون

لا تؤخذ قوة الشد للسائل في الاعتبار عند حل المشكلات العملية. يتميز التمدد الحراري للسوائل المتساقطة بـ معامل التمدد الحراري β ر، معبراً عن الزيادة النسبية في حجم السائل مع زيادة درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة ، أي:

أين دبليو - الحجم الأولي للسائل ؛ Δ دبليو - تغير في هذا الحجم مع زيادة درجة الحرارة بمقدار Δ ت . معامل التمدد الحراري للسوائل المتساقطة كما يتضح من الجدول. 5 غير مهم.

الجدول 5

معامل التمدد الحراري للماء
الضغط باسكال 10 4	في درجة الحرارة ، درجة مئوية

لذلك ، بالنسبة للماء عندما تتغير درجة الحرارة من 10 إلى 20 درجة مئوية وعند ضغط 10 5 باسكال β ر= 0.00015 1 / درجة مع وجود اختلافات كبيرة في درجات الحرارة ، يجب مراعاة تأثير درجة الحرارة على الثقل النوعي في بعض الحالات. الكثافة والجاذبية النوعية للسوائل المتساقطة ، على النحو التالي من الاعتبارات السابقة ، تتغير قليلاً مع التغيرات في الضغط ودرجة الحرارة. يمكننا أن نفترض تقريبًا أن الكثافة لا تعتمد على الضغط ويتم تحديدها فقط بواسطة درجة الحرارة. من التعبيرين (9) و (1) ، يمكن للمرء أن يجد علاقة تقريبية لحساب التغير في كثافة إسقاط السوائل مع درجة الحرارة:

تم العثور على قيم المعامل في (10) من الجداول ضمن نطاق درجة حرارة معينة (انظر ، على سبيل المثال ، الجدول 5). تُستخدم قدرة السوائل على تغيير الكثافة (الثقل النوعي) مع تغيرات درجة الحرارة على نطاق واسع لإنشاء الدورة الدموية الطبيعية في الغلايات وأنظمة التدفئة وإزالة منتجات الاحتراق وما إلى ذلك. الجدول ب. 6 يوضح كثافة الماء عند درجات حرارة مختلفة.

الجدول 6

اعتماد الكثافة ρ ، واللزوجة الحركية ν والديناميكية μ للماء على درجة الحرارة
درجة الحرارة ، درجة مئوية		ν ∙ 10 4 ، م 2 / ث	μ ∙ 10 3، باسكال ث

على عكس السوائل المتساقطة ، تتميز الغازات بانضغاط كبير وقيم عالية لمعامل التمدد الحراري. يتم تحديد اعتماد كثافة الغازات على الضغط ودرجة الحرارة من خلال معادلة الحالة. يمتلك الغاز المخلخل أبسط الخصائص لدرجة أنه يمكن تجاهل التفاعل بين جزيئاته - ما يسمى بالكمال ( المثالي) غاز. بالنسبة للغازات المثالية ، فإن معادلة Clapeyron صحيحة ، مما يجعل من الممكن تحديد كثافة الغاز عند ضغط ودرجة حرارة معروفين:

(11)

أين ص - ضغط مطلق؛ ص - ثابت غاز معين ، يختلف باختلاف الغازات ، ولكنه مستقل عن درجة الحرارة والضغط [للهواء R = 287 J / (kg K)] ؛ تي هي درجة الحرارة المطلقة. يختلف سلوك الغازات الحقيقية في ظل ظروف بعيدة عن التسييل بشكل طفيف عن سلوك الغازات المثالية ، وبالنسبة لها يمكن استخدام معادلات حالة الغازات المثالية في نطاق واسع. في الحسابات الهندسية ، عادة ما ينتج عن كثافة الغاز عاديالظروف الفيزيائية (t = 0 ° ؛ p = 101 325 Pa) أو إلى اساسيالظروف (ر = 20 درجة مئوية ؛ р = 101325 باسكال). كثافة الهواء عند R = 287 J / (kg ∙ K) في ظل الظروف القياسية وفقًا للصيغة (11) ستكون مساوية لـ ρ 0 = 101325/287 / (273 + 20) = 1.2 كجم / م 3. يتم تحديد كثافة الهواء في ظل الظروف الأخرى من خلال الصيغة:

(12)

على التين. يوضح الشكل 1 الرسوم البيانية لاعتماد كثافة الهواء على درجة الحرارة التي تحددها هذه الصيغة عند ضغوط مختلفة.

أرز. 1 اعتماد كثافة الهواء على الضغط الجوي ودرجة الحرارة

بالنسبة لعملية متساوية الحرارة (T = const) من الصيغة (12) لدينا:

(13)

(14)

أين ك= ق ع / ث ν هو ثابت ثابت الحرارة للغاز. c p هي السعة الحرارية للغاز عند ضغط ثابت ؛ مع ν - نفس الشيء ، بحجم ثابت. تعتمد انضغاطية الغازات على طبيعة عملية تغيير الحالة. لعملية متساوية الحرارة:

(15)

لعملية ثابت الحرارة:

ويترتب على التعبير (15) أن الانضغاطية المتساوية للهواء الجوي تبلغ ~ 9.8 ∙ 10 4 باسكال (حوالي 1 ضغط جوي) ، أي حوالي 20 ألف مرة أعلى من انضغاط الماء. نظرًا لأن حجم الغاز يعتمد إلى حد كبير على درجة الحرارة والضغط ، فإن الاستنتاجات التي تم الحصول عليها من دراسة إسقاط السوائل يمكن أن تمتد إلى الغازات فقط إذا كانت التغيرات في الضغط ودرجة الحرارة طفيفة في حدود الظاهرة قيد الدراسة. يمكن أن تحدث اختلافات كبيرة في الضغط ، والتي تسبب تغيرًا كبيرًا في كثافة الغازات ، عندما تتحرك بسرعات عالية. تجعل النسبة بين سرعة السائل وسرعة الصوت فيه من الممكن الحكم على الحاجة إلى مراعاة الانضغاطية في كل حالة محددة. من الناحية العملية ، يمكن أخذ الغاز غير القابل للضغط بسرعات لا تتجاوز 100 م / ث. لزوجة السوائل.اللزوجة هي خاصية السوائل لمقاومة القص. جميع السوائل الحقيقية لها لزوجة معينة ، والتي تتجلى في شكل احتكاك داخلي أثناء الحركة النسبية لجزيئات السوائل المجاورة. إلى جانب السوائل المتنقلة بسهولة (على سبيل المثال ، الماء والهواء) ، توجد سوائل لزجة للغاية ، ومقاومة القص لها أهمية كبيرة (الجلسرين ، والزيوت الثقيلة ، وما إلى ذلك). وهكذا ، فإن اللزوجة تميز درجة سيولة السائل أو حركة جزيئاته. دع السائل يتدفق على طول جدار مسطح في طبقات موازية له (الشكل 2) ، كما هو ملاحظ في الحركة الصفحية. نظرًا لتأثير التباطؤ للجدار ، فإن طبقات السوائل تتحرك بسرعات مختلفة ، تزداد قيمها مع المسافة من الجدار.

أرز. 2 توزيع السرعة لتدفق السوائل على طول جدار صلب

ضع في اعتبارك طبقتين من السوائل تتحركان على مسافة أنت من بعضهما البعض. طبقة أ تتحرك بسرعة ش ، طبقة في - بسرعة ش + Δu . بسبب الاختلاف في السرعات لكل وحدة زمنية ، الطبقة في التحولات بالنسبة للطبقة أ من قبل Δ ش . قيمة Δ ش هو التحول المطلق للطبقة أ على طول الطبقة ب ، و Δ ش /Δ ذ هو انحدار السرعة (التحول النسبي). سيتم الإشارة إلى الضغط العرضي الذي يظهر أثناء هذه الحركة (قوة الاحتكاك لكل وحدة مساحة) بواسطة. ثم ، على غرار ظاهرة القص في المواد الصلبة ، نحصل على العلاقة التالية بين الإجهاد والانفعال:

(17)

أو ، إذا كانت الطبقات قريبة بشكل لا نهائي من بعضها البعض ،

(18)

قيمة µ ، على غرار معامل القص في المواد الصلبة وخصائص مقاومة السائل للقص ، يسمى متحركأو مطلق اللزوجة. أشار نيوتن أولاً إلى وجود العلاقة (18) ، وبالتالي يطلق عليها قانون الاحتكاك لنيوتن. في النظام الدولي للوحدات ، يتم التعبير عن اللزوجة الديناميكية بـ H s / m 2 أو Pa · s. في النظام الفني للوحدات ، اللزوجة الديناميكية لها أبعاد kgf ∙ s ∙ m -2. في نظام CGS ، يتم أخذ الاتزان (P) كوحدة من اللزوجة الديناميكية في ذكرى الطبيب الفرنسي Poiseuille ، الذي درس قوانين حركة الدم في أوعية جسم الإنسان ، والتي تساوي 1 جم ∙ سم -1 ∙ ق -1 ؛ 1 Pa · s \ u003d 0.102 kgf · s / m 2 \ u003d 10 P. تعتمد لزوجة السوائل بشكل كبير على درجة الحرارة ؛ في هذه الحالة ، تنخفض لزوجة السوائل المتساقطة مع زيادة درجة الحرارة ، وتزداد لزوجة الغازات. ويفسر ذلك حقيقة أن طبيعة لزوجة إسقاط السوائل والغازات مختلفة. في الغازات ، يزداد متوسط ​​سرعة (شدة) الحركة الحرارية للجزيئات مع زيادة درجة الحرارة ، وبالتالي تزداد اللزوجة. عند إسقاط السوائل ، لا يمكن للجزيئات أن تتحرك ، كما هو الحال في الغاز ، في جميع الاتجاهات ، يمكنها أن تتأرجح فقط حول متوسط ​​موضعها. مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد متوسط ​​سرعات الحركات الاهتزازية للجزيئات ، مما يؤدي إلى سهولة التغلب على الروابط التي تحتفظ بها ، ويكتسب السائل قدرًا أكبر من الحركة (تنخفض لزوجته). لذلك ، بالنسبة للمياه العذبة النقية ، يتم تحديد اعتماد اللزوجة الديناميكية على درجة الحرارة من خلال صيغة Poiseuille:

(19)

أين µ - اللزوجة المطلقة (الديناميكية) للسائل في P ؛ ر - درجة الحرارة في درجة مئوية. مع زيادة درجة الحرارة من 0 إلى 100 درجة مئوية ، تنخفض لزوجة الماء بحوالي 7 مرات (انظر الجدول 6). عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، تكون اللزوجة الديناميكية للماء 0.001 Pa s = 0.01 P. ينتمي الماء إلى السوائل الأقل لزوجة. فقط عدد قليل من السوائل المستخدمة عمليًا (مثل الأثير والكحول) لها لزوجة أقل إلى حد ما من الماء. ثاني أكسيد الكربون السائل لديه أقل لزوجة (50 مرة أقل من لزوجة الماء). جميع الزيوت السائلة لها لزوجة أعلى بكثير من الماء (زيت الخروع عند 20 درجة مئوية له لزوجة أكبر 1000 مرة من الماء عند نفس درجة الحرارة). الجدول ب. يوضح الشكل 1.7 قيم اللزوجة لبعض السوائل.

الجدول 7

اللزوجة الحركية والديناميكية لإسقاط السوائل (عند t = 20 درجة مئوية)
سائل		ν ∙ 10 4 ، م 2 / ث
مياه عذبة
الجلسرين اللامائي
الكيروسين (عند 15 درجة مئوية)
البنزين (عند 15 درجة مئوية)
زيت الخروع
زيوت معدنية
زيت عند 15 درجة مئوية
كحول الإيثيل اللامائي

لتحديد قيمة اللزوجة الديناميكية للهواء في نظام MKGSS ، يتم استخدام صيغة Millikan:

ما يعطي عند t \ u003d 15 ° С \ u003d 1.82 ∙ 10 -6 kgf · s / m 2 (~ 1.82 ∙ 10 -5 Pa · s). تكون اللزوجة الديناميكية للغازات الأخرى بنفس الترتيب من حيث الحجم. جنبا إلى جنب مع مفهوم اللزوجة المطلقة أو الديناميكية ، فإن مفهوم اللزوجة الحركية؛ وهي نسبة اللزوجة المطلقة إلى كثافة السائل:

(21)

هذه اللزوجة تسمى حركي، حيث لا توجد وحدات قوة في أبعادها. في الواقع ، عن طريق استبدال البعد µ و ρ ، نحن نحصل [ الخامس]=[إل 2 /تي]. في النظام الدولي للوحدات ، تُقاس اللزوجة الحركية بالمتر 2 / ثانية ؛ وحدة قياس اللزوجة الحركية في نظام CGS هي ستوكس (تكريما للفيزيائي الإنجليزي ستوكس): 1 St = 1 cm 2 / s = 10-4 m 2 / s. الجزء المائة من Stokes يسمى centistokes (cSt): 1 م 2 / ث \ u003d 1 ∙ 10 4 ش \ u003d 1 ∙ 10 6 قيراط. في الجدول. يوضح الشكل 7 القيم العددية للزوجة الحركية للسوائل المتساقطة ؛ 3 - اعتماد اللزوجة الحركية للماء والزيت الصناعي على درجة الحرارة. للحسابات الأولية ، قيمة اللزوجة الحركية للماء الخامس يمكن أن تكون مساوية لـ 0.01 سم 2 / ثانية = 1.10 -6 م 2 / ثانية ، والتي تتوافق مع درجة حرارة 20 درجة مئوية.

أرز. 3 اعتماد اللزوجة الحركية للماء والزيت على درجة الحرارة

تعتمد اللزوجة الحركية لإسقاط السوائل عند الضغوط التي تتم مواجهتها في معظم الحالات (حتى 200 ضغط جوي) بشكل ضئيل جدًا على الضغط ، ويتم إهمال هذا التغيير في الحسابات الهيدروليكية التقليدية. تعتمد اللزوجة الحركية للغازات على كل من درجة الحرارة والضغط ، وتزداد مع زيادة درجة الحرارة وتتناقص مع زيادة الضغط (الجدول 8). اللزوجة الحركية للهواء في الظروف العادية (درجة حرارة 20 درجة مئوية ، ضغط ~ 1at) الخامس= µ/ ρ \ u003d 1.57 ∙ 10 -5 م 2 / ث ، أي حوالي 15 مرة أكثر من الماء عند نفس درجة الحرارة. يفسر ذلك حقيقة أن مقام تعبير اللزوجة الحركية (21) يتضمن الكثافة ، والتي تكون أقل بكثير بالنسبة للغازات من السوائل المتساقطة. لحساب اللزوجة الحركية للهواء عند درجات حرارة وضغوط مختلفة ، يمكنك استخدام الرسم البياني (الشكل 4).

الجدول 1.8

قيم الحركية ν وثابت الغاز النوعي K لبعض الغازات
	ν ∙ 10 4 ، م 2 / ث عند درجة حرارة بالدرجة المئوية				R ، J / (كجم ∙ كلفن)
					القوانين الفيدرالية للاتحاد الروسي: "في التعليم" (بتاريخ 10 يوليو 1992 رقم 3266-1) و "في التعليم المهني العالي والدراسات العليا" (بتاريخ 22 أغسطس 1996 رقم 125-FZ) ؛ البرنامج التعليمي الرئيسي للتعليم العالي المهني اتجاه التدريب 270800 البناء (1) البرنامج التعليمي الرئيسي 1.1 الغرض (مهمة) من أفضل الممارسات البيئية هو إعداد محترف تنافسي مستعد للعمل في المجالات المتعلقة بتوفير البناء ، بالإضافة إلى القدرة على تحسين الذات المهنية والتطوير الإبداعي.

15.07.2012
الخصائص الفيزيائية للزيوت الهيدروليكية وتأثيرها على الأداء

1. خصائص اللزوجة ودرجة الحرارة اللزوجة
تعتبر اللزوجة أهم معيار لتقييم القدرة الاستيعابية للزيت الهيدروليكي. يتم التمييز بين اللزوجة من خلال المؤشرات الديناميكية والحركية.
يتم تصنيف زيوت التشحيم الصناعية والزيوت الهيدروليكية وفقًا لـ ISOتعتمد درجات اللزوجة على اللزوجة الحركية ، والتي توصف بدورها على أنها نسبة اللزوجة الديناميكية إلى الكثافة. درجة الحرارة المرجعية هي 40 درجة مئوية. وحدة القياس الرسمية ( شارع) بالنسبة إلى اللزوجة الحركية هي m 2 / s ، وفي صناعة تكرير النفط ، تكون وحدة اللزوجة الحركية هي cSt(سنتيستوكس) أو مم 2 / ثانية. تصنيف اللزوجة ISO ، DINيصف 51519 لزيوت التشحيم الصناعية السائلة 18 درجة (فئات) من اللزوجة من 2 إلى 1500 مم 2 / ثانية عند درجة حرارة 40 درجة مئوية. يتم تحديد كل درجة من خلال متوسط ​​اللزوجة عند 40 درجة مئوية وبتسامح ± 10٪ من هذه القيمة. الاعتماد على درجة حرارة اللزوجة له ​​أهمية كبيرة بالنسبة للزيوت الهيدروليكية. تزداد اللزوجة بشكل حاد مع انخفاض درجة الحرارة وتنخفض مع زيادة درجة الحرارة. من الناحية العملية ، فإن لزوجة سائل العتبة (لزوجة بدء التشغيل المسموح بها ، حوالي 800-2000 مم 2 / ثانية) ضرورية للاستخدام في أنواع مختلفة من المضخات. يتم تحديد الحد الأدنى من اللزوجة المسموح بها في درجات الحرارة العالية من خلال بداية مرحلة الاحتكاك الحدودي. يجب ألا تقل اللزوجة الدنيا عن 7-10 مم 2 / ثانية لتجنب التآكل غير المقبول للمضخات والمحركات. تصف المنحنيات الموجودة على الرسوم البيانية لدرجة حرارة اللزوجة اعتماد لزوجة السوائل الهيدروليكية على درجة الحرارة. في حالة الخط V-T- المنحنيات زائدية. عن طريق التحويل الرياضي ، هؤلاء في - ت- يمكن تمثيل المنحنيات كخطوط مستقيمة. تتيح هذه الخطوط تحديد اللزوجة بدقة على نطاق واسع من درجات الحرارة. مؤشر اللزوجة (VI) هو معيار في - ت- التبعيات ، و V-T- منحنى - الانحدار على الرسم البياني. كلما زاد معدل VI للسائل الهيدروليكي ، قل التغير في اللزوجة مع درجة الحرارة ، أي كلما زاد في - ت- منحنى. عادةً ما تحتوي الزيوت الهيدروليكية القائمة على الزيوت المعدنية على IV الطبيعي من 95-100. للزيوت الهيدروليكية الاصطناعية القائمة على الإسترات حد سادس محدد من 140-180 ، والبولي جليكول لها IV طبيعي 180-200 (الشكل 1)

يمكن أيضًا تحسين مؤشر اللزوجة بإضافات (إضافات بوليمرية يجب أن تكون مقاومة للقص) تسمى محسنات VI أو إضافات اللزوجة. توفر الزيوت الهيدروليكية عالية المستوى السادس بداية سهلة ، وتقلل من فقدان الأداء في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة ، وتحسن منع التسرب والحماية من التآكل في درجات حرارة التشغيل العالية. تعمل الزيوت ذات المؤشر العالي على زيادة كفاءة النظام وإطالة عمر المكونات المعرضة للتآكل (كلما زادت اللزوجة في درجات حرارة التشغيل ، كانت نسبة الحجم أفضل).

2. اعتماد الضغط على اللزوجة
يتم تحديد قدرة تحمل فيلم التشحيم من خلال اعتماد الضغط على لزوجة مادة التشحيم. تزداد اللزوجة الديناميكية للوسائط السائلة مع زيادة الضغط. فيما يلي طريقة للتحكم في اللزوجة الديناميكية مقابل الضغط عند درجة حرارة ثابتة.
إن اعتماد اللزوجة على الضغط ، أي زيادة اللزوجة مع زيادة الضغط ، له تأثير إيجابي على الحمل المحدد (على سبيل المثال ، على المحامل) ، لأن لزوجة فيلم التشحيم تزداد تحت تأثير الضغط الجزئي العالي من 0 إلى 2000 صراف آلي. اللزوجة HFCيزيد السائل مرتين ، والزيوت المعدنية - 30 مرة ، في HFDالسوائل - 60 مرة. هذا ما يفسر العمر التشغيلي القصير نسبيًا للمحامل الأسطوانية إذا كانت مشحمة باستخدام ( HFA ، HFC) زيوت التشحيم المائية. على التين. يظهر 2 و 3 اللزوجة مقابل الضغط لمختلف السوائل الهيدروليكية.

يمكن أيضًا وصف خصائص درجة حرارة اللزوجة بتعبير أسي:

η = η ο · ه α ص ,

حيث η ο هي اللزوجة الديناميكية عند الضغط الجوي ، α هي معامل الاعتماد على "ضغط اللزوجة" ، ص-الضغط. إلى عن على HFCα \ u003d 3.5 10-4 atm -1 ؛
إلى عن على HFDα \ u003d 2.2 10 -3 atm -1 ؛ إلى عن على HLPα \ u003d 1.7 10 -3 atm -1

3. الكثافة
يتناسب فقدان السوائل الهيدروليكية في الأنابيب وفي عناصر النظام الهيدروليكي بشكل مباشر مع كثافة السائل. على سبيل المثال ، يتناسب فقدان الضغط طرديًا مع الكثافة:

Δ ص= (/ 2) ξ مع 2 ,

حيث ρ هي كثافة السائل ، ξ هي معامل السحب ، معهو معدل تدفق السوائل ، و ص- فقدان الضغط.
الكثافة ρ هي الكتلة لكل وحدة حجم السائل.

ρ = م / الخامس(كجم / م 3).

يتم قياس كثافة المائع الهيدروليكي عند درجة حرارة 15 درجة مئوية. يعتمد على درجة الحرارة والضغط ، لأن حجم السائل يزداد مع زيادة درجة الحرارة. وبالتالي ، فإن التغير في حجم السائل نتيجة التسخين يحدث وفقًا للمعادلة

Δ الخامس=الخامسβ درجة الحرارة Δ تي,

ما الذي يؤدي إلى تغيير الكثافة:

Δρ = ρ β معدل Δ تي.

في الظروف الهيدروستاتيكية عند درجات حرارة من -5 إلى +150 درجة مئوية ، يكفي تطبيق صيغة خطية على المعادلة أعلاه. يمكن تطبيق معامل التمدد الحراري βtemp على جميع أنواع السوائل الهيدروليكية.

نظرًا لأن معامل التمدد الحراري للزيوت المعدنية يبلغ تقريبًا 7 × 10 -4 كلفن -1 ، فإن حجم المائع الهيدروليكي يزيد بنسبة 0.7٪ إذا ارتفعت درجة حرارته بمقدار 10 درجات مئوية. على التين. يوضح الشكل 5 اعتماد حجم السوائل الهيدروليكية على درجة الحرارة.

يجب أيضًا تضمين علاقة الكثافة والضغط للسوائل الهيدروليكية في التقييم الهيدروستاتيكي ، حيث تؤثر انضغاط السوائل سلبًا على أدائها الديناميكي. يمكن ببساطة قراءة اعتماد الكثافة على الضغط من المنحنيات المقابلة (الشكل 6).

4. الانضغاطية
تعتمد قابلية انضغاط السوائل الهيدروليكية على أساس الزيوت المعدنية على درجة الحرارة والضغط. عند ضغوط تصل إلى 400 ضغط جوي ودرجات حرارة تصل إلى 70 درجة مئوية ، وهو الحد الأقصى للأنظمة الصناعية ، يتم إعادة ضبط الانضغاط على النظام. يمكن اعتبار السوائل الهيدروليكية المستخدمة في معظم الأنظمة الهيدروليكية غير قابلة للضغط. ومع ذلك ، عند ضغوط تتراوح من 1000 إلى 10000 ضغط جوي ، يمكن ملاحظة التغييرات في انضغاط الوسط. يتم التعبير عن الانضغاطية بواسطة المعامل β أو المعامل م(الشكل 7 ، م = إلى).

م\ u003d 1 / β atm \ u003d 1 / β 10 5 Nm 2 \ u003d 1 / β 10 5 Pa.

يمكن تحديد تغيير الحجم باستخدام المعادلة

Δ الخامس=الخامس · β( صالأعلى- صبداية)

أين Δ الخامس- تغيير الحجم صالحد الأقصى هو الضغط الأقصى ؛ صالأولي - الضغط الأولي.

5. الذوبان في الغازات ، التجويف
يمكن أن يذوب الهواء والغازات الأخرى في السوائل. يمكن للسائل أن يمتص الغاز حتى يتشبع. لا ينبغي أن يؤثر ذلك سلبًا على خصائص السائل. تعتمد قابلية ذوبان الغاز في السائل على المكون الأساسي لنوع الغاز وضغطه ودرجة حرارته. في ضغوط تصل إلى ≈300 جهاز صراف آلي. ذوبان الغاز يتناسب مع الضغط ويتبع قانون هنري.

الخامس G = في فα V. ص / صس

أين الخامسجيهو حجم الغاز المذاب ؛ الخامس F هو حجم السائل ، صس - الضغط الجوي ، ص- ضغط السائل؛ α V هو معامل توزيع بنسن (1.013 ملي بار ، 20 درجة مئوية).
يعتمد معامل بنسن بشكل كبير على المائع الأساسي ويشير إلى مقدار (٪) الغاز المذاب في وحدة حجم السائل في ظل الظروف العادية. يمكن إطلاق الغاز المذاب من السائل الهيدروليكي عند ضغط ثابت منخفض (معدل تدفق مرتفع وضغط قص مرتفع) حتى يتم الوصول إلى نقطة تشبع جديدة. عادة ما يتجاوز المعدل الذي يترك عنده الغاز السائل معدل امتصاص الغاز في السائل. يغير تسرب الغاز من سائل على شكل فقاعات انضغاطية السائل بطريقة تشبه فقاعات الهواء. حتى عند الضغط المنخفض ، يمكن لكمية صغيرة من الهواء أن تقلل بشكل كبير من عدم انضغاط السائل. في الأنظمة المتنقلة ذات معدلات دوران السائل العالية ، يمكن أن يصل محتوى الهواء غير المذاب إلى قيم تصل إلى 5٪. هذا الهواء غير المذاب له تأثير سلبي للغاية على الأداء ، والقدرة على تحمل الحمولة وديناميكيات النظام (انظر القسم 6 - نزع الهواء والقسم 7 - الرغوة). نظرًا لأن انضغاط السوائل في الأنظمة عادة ما يكون سريعًا جدًا ، يمكن أن تصل فقاعات الهواء فجأة إلى درجات حرارة عالية (ضغط ثابت الحرارة). في الحالات القصوى ، يمكن الوصول إلى نقطة وميض السائل ويمكن أن تحدث تأثيرات microdiesel.
يمكن أن تنفجر فقاعات الغاز أيضًا في المضخات نتيجة للضغط ، مما قد يتسبب في تلف بسبب التآكل (يسمى أحيانًا التجويف أو التجويف الزائف). يمكن أن يتفاقم الوضع إذا تشكلت فقاعات بخار في السائل. وبالتالي ، يحدث التجويف عندما ينخفض ​​الضغط عن قابلية ذوبان الغاز أو أقل من ضغط بخار التشبع للسائل.
يحدث التجويف بشكل أساسي في الأنظمة المفتوحة ذات الحجم الثابت ، أي أن خطر هذه الظاهرة وثيق الصلة بدوائر ومضخات المدخل والمخرج. يمكن أن يحدث بسبب الضغط المطلق المنخفض للغاية بسبب فقد سرعة التدفق في المقاطع العرضية الضيقة ، والمرشحات ، والمشعبات ، والمخمدات ، بسبب رأس المدخل المفرط أو فقدان الضغط بسبب اللزوجة المفرطة للسوائل. يمكن أن يؤدي التجويف إلى تآكل المضخة ، وانخفاض الكفاءة ، وذروة الضغط والضوضاء المفرطة.
يمكن أن تؤثر هذه الظاهرة سلبًا على استقرار منظمات الاختناق وتسبب الرغوة في الحاويات إذا تم إرجاع خليط الماء السائل إلى الحاوية عند الضغط الجوي.

6. الهزال
عندما تعود السوائل الهيدروليكية إلى الخزانات ، يكون تدفق السوائل قادرًا على حبس الهواء معها. يمكن أن يحدث هذا بسبب التسريبات في الأنابيب عند الانقباض والفراغ الجزئي. يشير الاضطراب في الخزان أو التجويف الموضعي إلى تكوين فقاعات هواء في السائل.
يجب أن يتسرب الهواء المحاصر بهذه الطريقة إلى سطح السائل ، وإلا إذا دخل إلى المضخة ، فقد يتسبب ذلك في تلف المكونات الأخرى للنظام. يعتمد معدل ارتفاع فقاعات الهواء على السطح على قطر الفقاعات ولزوجة السائل وكثافة وجودة الزيت الأساسي. كلما زادت جودة ونقاء الزيت الأساسي ، زادت سرعة نزع الهواء. تعمل الزيوت منخفضة اللزوجة بشكل عام على نزع الهواء بشكل أسرع من الزيوت الأساسية عالية اللزوجة. هذا مرتبط بمعدل ارتفاع الفقاعات.

ج = (ρ FL-L) Χ / η ،

أين ρ فلوريداهي كثافة السائل. ص إل- كثافة الهواء؛ η هي لزوجة ديناميكية. X ثابت يعتمد على كثافة ولزوجة السائل.
يجب تصميم الأنظمة بطريقة لا يدخل فيها الهواء إلى السائل ، وإذا حدث ذلك ، يمكن أن تتسرب فقاعات الهواء المحبوسة بسهولة. المناطق الحرجة هي الخزانات ، والتي يجب أن تكون مزودة بحواجز وحواجز ، وتكوين الأنابيب والدوائر. لا يمكن أن تؤثر المواد المضافة بشكل إيجابي على خصائص إطلاق الهواء للسوائل الهيدروليكية. تؤثر المواد الخافضة للتوتر السطحي (خاصة المضافات المضادة للرغوة القائمة على السيليكون) والملوثات (مثل الشحوم ومثبطات التآكل) سلبًا على خصائص إطلاق الهواء للزيوت الهيدروليكية. تتمتع الزيوت المعدنية عمومًا بخصائص إطلاق هواء أفضل من السوائل المقاومة للحريق. خصائص إطلاق الهواء HPLDيمكن أن يكون السائل الهيدروليكي مشابهًا لخصائص السوائل الهيدروليكية HLP.
تم وصف اختبار تحديد خصائص إطلاق الهواء في المعيار DIN 51 381. هذه الطريقة تتمثل في دفع الهواء إلى الزيت. رقم نزع الهواء هو الوقت الذي يستغرقه الهواء (ناقص 0.2٪) لترك سائل عند 50 درجة مئوية في ظل ظروف معينة.
يتم تحديد نسبة الهواء المشتت عن طريق قياس كثافة خليط الزيت والهواء.

7. الإرغاء
يحدث رغوة السطح عندما يكون معدل نزع الهواء أعلى من معدل انفجار فقاعات الهواء على سطح السائل ، أي عندما تكون الفقاعات أكثر من تلك المنهارة. في أسوأ الحالات ، يمكن إخراج هذه الرغوة من الخزان من خلال الفتحات أو حملها في المضخة. يمكن للإضافات المضادة للرغوة القائمة على السيليكون أو الخالية من السيليكون تسريع انهيار الفقاعات عن طريق تقليل التوتر السطحي للرغوة. كما أنها تؤثر سلبًا على خصائص إطلاق الهواء للسائل ، مما قد يسبب مشاكل في الانضغاط والتجاويف. لذلك ، يتم استخدام المضافات المضادة للرغوة بتركيزات منخفضة جدًا (≈ 0.001٪). يمكن أن ينخفض ​​تركيز مضاد الرغوة بشكل تدريجي نتيجة الشيخوخة والترسب على الأسطح المعدنية ، وغالبًا ما تحدث مشاكل الرغوة عند استخدام السوائل القديمة التي تعمل بالفعل. يجب أن تتم الإضافة اللاحقة لعامل مضاد الرغوة فقط بعد التشاور مع الشركة المصنعة للسائل الهيدروليكي.
يتم قياس حجم الرغوة المتكونة على سطح السائل بمرور الوقت (فورًا ، بعد 10 دقائق) وبدرجات حرارة مختلفة (25 و 95 درجة مئوية). يمكن أن تؤثر المواد الخافضة للتوتر السطحي ، والمنظفات أو المشتتات ، والملوثات على شكل شحوم ، ومثبطات التآكل ، وعوامل التنظيف ، والمبردات ، ومنتجات الأكسدة الثانوية ، وما إلى ذلك بشكل سلبي على فعالية إضافات مضادات الرغوة.

8. الاستحلاب
القابلية للاستحلاب هي قدرة السائل الهيدروليكي على صد الماء المتسرب. يمكن أن يدخل الماء إلى السائل الهيدروليكي نتيجة لتسرب المبادل الحراري ، والتكثيف في الخزانات بسبب التغيرات الكبيرة في مستويات الزيت ، وسوء الترشيح ، وتلوث المياه بسبب فشل الختم ، والظروف البيئية القاسية. يمكن أن يتسبب الماء في السائل الهيدروليكي في حدوث تآكل ، وتجويف في المضخات ، وزيادة الاحتكاك والتآكل ، والتحلل السريع للإستومر والبلاستيك. يجب إزالة الماء الحر بأسرع ما يمكن من حاويات السوائل الهيدروليكية عبر محابس التصريف. يمكن أن يتسبب التلوث بمواد التبريد القابلة للذوبان في الماء ، خاصة على أدوات الآلات ، في تكوين بقايا لزجة بعد تبخر الماء. هذا يمكن أن يسبب مشاكل في المضخات والصمامات والأسطوانات. يجب أن يصد السائل الهيدروليكي الماء الذي تغلغل فيه بسرعة وبشكل كامل. يتم تحديد استحلاب بواسطة DIN 51599 ، لكن هذه الطريقة لا تنطبق على السوائل الهيدروليكية التي تحتوي على مادة مشتتة للمنظف ( DD) المضافات. الاستحلاب هو الوقت الذي يستغرقه فصل خليط الزيت والماء. معلمات فك الاستحلاب هي:
. لزوجة تصل إلى 95 مم 2 / ثانية عند 40 درجة مئوية ؛ درجة حرارة الاختبار 54 درجة مئوية ؛
. اللزوجة> 95 مم 2 / ثانية ؛ درجة الحرارة 82 درجة مئوية.
تحتوي على زيوت هيدروليكية DDيتم الاحتفاظ بالمواد المضافة والماء والملوثات السائلة والصلبة في حالة تعليق. يمكن إزالتها باستخدام أنظمة الترشيح المناسبة دون استخدام الوظيفة الهيدروليكية للماكينة ، مما يلغي التأثير السلبي على السائل الهيدروليكي. لهذا DDغالبًا ما تستخدم السوائل الهيدروليكية في أدوات الآلات الهيدروستاتيكية والأنظمة الهيدروليكية المتنقلة.
بالنسبة للآلات ذات معدلات الدوران العالية ، والتي تتطلب توفرًا ثابتًا ومعرضة بشكل دائم للماء والملوثات الأخرى ، يعد استخدام سوائل التنظيف الهيدروليكي مجالًا أساسيًا. يوصى باستخدام السوائل الهيدروليكية ذات خصائص الاستحلاب في ورش صناعة الصلب والدرفلة ، حيث توجد كميات كبيرة من الماء ونسب دوران منخفضة تسمح بفصل المستحلبات في الخزان. تُستخدم خصائص قابلية الاستحلاب في شكل معدل لتحديد توافق المعدات مع الزيوت الهيدروليكية. شيخوخة السائل الهيدروليكي تؤثر سلبًا على خصائص إزالة الاستحلاب.

9. نقطة صب
نقطة الصب هي أدنى درجة حرارة يظل فيها السائل سائلاً. يتم تبريد عينة من السائل بشكل منهجي واختبار السيولة مع انخفاض درجة الحرارة لكل 3 درجات مئوية. تحدد المعلمات مثل نقطة الصب والحد من اللزوجة أدنى درجة حرارة يمكن عندها الاستخدام العادي للزيت.

10. تآكل النحاس (اختبار لوح النحاس)
غالبًا ما تستخدم المواد المحتوية على النحاس والنحاس في الأنظمة الهيدروليكية. توجد مواد مثل النحاس الأصفر أو البرونز المصبوب أو البرونز الملبد في المحامل أو الموجهات أو أدوات التحكم والمنزلقات والمضخات الهيدروليكية والمحركات. تستخدم الأنابيب النحاسية في أنظمة التبريد. يمكن أن يؤدي تآكل النحاس إلى فشل النظام الهيدروليكي بأكمله ، لذلك يتم إجراء اختبار تآكل اللوح النحاسي للحصول على معلومات حول تآكل سوائل القاعدة والمواد المضافة للمواد المحتوية على النحاس. تُعرف طريقة اختبار قابلية تآكل السوائل الهيدروليكية ذات الأساس المعدني ، أي السوائل القابلة للتحلل الحيوي ، ضد المعادن غير الحديدية باسم طريقة Linde (طريقة الاختبار الانتقائي لاختبار الزيوت القابلة للتحلل الحيوي للتآكل ضد سبائك النحاس) ( SAEنشرة فنية 981516 أبريل 1998) ، والمعروفة أيضًا باسم VDMA 24570 (VDMA 24570 - السوائل الهيدروليكية القابلة للتحلل بسرعة - التأثير على السبائك غير الحديدية 03-1999 باللغة الألمانية).
حسب المعيار DIN 51759 ، يمكن التعبير عن التآكل على لوح نحاسي في شكل تغير في اللون أو تقشر. يتم غمر لوح الطحن النحاسي في السائل ليتم اختباره لفترة زمنية محددة عند درجة حرارة محددة. عادة ما يتم اختبار الزيوت الهيدروليكية وزيوت التشحيم عند 100 درجة مئوية. يتم تقييم درجة التآكل بالنقاط:
1 - تغير طفيف في اللون ؛
2 - تلون معتدل.
3 - تغير قوي في اللون ؛
4 - تآكل (سواد).

11. محتوى الماء (طريقة كارل فيشر)
إذا دخل الماء إلى النظام الهيدروليكي جزئيًا مشتتًا بشكل جيد إلى الحد الذي يخترق فيه مرحلة الزيت ، فعندئذٍ ، اعتمادًا على كثافة السائل الهيدروليكي ، يمكن أيضًا إطلاق الماء من مرحلة الزيت. يجب أن يؤخذ هذا الاحتمال في الاعتبار عند أخذ العينات لتحديد محتوى الماء.
يرتبط تحديد محتوى الماء بالملجم / كجم (الكتلة) وفقًا لطريقة Karl Fischer بإدخال محلول Karl Fischer في المعايرة المباشرة أو غير المباشرة.

12. مقاومة الشيخوخة (طريقة بادر)
هذه محاولة لتكرار دراسة تأثيرات الهواء ودرجة الحرارة والأكسجين على السوائل الهيدروليكية في المختبر. تم إجراء محاولة لتسريع شيخوخة الزيوت الهيدروليكية بشكل مصطنع عن طريق رفع درجة الحرارة فوق مستويات التطبيق العملي بالإضافة إلى مستويات الأكسجين في وجود محفزات معدنية. يتم تسجيل وتقييم الزيادة في اللزوجة وزيادة عدد الأحماض (الأحماض الحرة). يتم ترجمة نتائج الاختبارات المعملية إلى شروط عملية. طريقة بادر هي طريقة عملية لاختبار الزيوت الهيدروليكية وزيوت التشحيم من أجل الشيخوخة.
لفترة زمنية محددة مسبقًا ، تخضع العينات للشيخوخة عند درجة حرارة وضغط محددين مسبقًا لتيار من الهواء أثناء غمر ملف نحاسي في الزيت بشكل دوري ، يعمل كمسرع للأكسدة. وفقا لل DIN 51 554-3 C ، CLو CLPالسوائل و HL, HLP, NMيتم اختبار الزيوت الهيدروليكية لاستقرار الأكسدة عند درجة حرارة 95 درجة مئوية. يتم التعبير عن رقم التصبن بالملجم KOH / جم.

13. مقاومة الشيخوخة (طريقة TOST)
يتم تحديد ثبات أكسدة زيوت التوربينات البخارية والزيوت الهيدروليكية المحتوية على مواد مضافة وفقًا لـ DIN 51587 طريقة TOSTتم استخدامه لسنوات عديدة لاختبار زيوت التوربينات والسوائل الهيدروليكية على أساس الزيوت المعدنية. معدل (بدون ماء) جاف TOSTتستخدم الطريقة لتحديد مقاومة أكسدة الزيوت الهيدروليكية على أساس الإسترات.
يتميز تقادم زيوت التشحيم بزيادة عدد الأحماض عند تعرض الزيت للأكسجين والماء والصلب والنحاس لمدة أقصاها 1000 ساعة عند 95 درجة مئوية (منحنى التعادل مع التقادم). الحد الأقصى للزيادة المسموح بها في عدد الحمض هو 2 مجم KOH / جم بعد 1000 ساعة.

14. الرقم الحمضي (رقم التعادل)
يزداد العدد الحمضي للزيت الهيدروليكي نتيجة التقادم أو السخونة الزائدة أو الأكسدة. يمكن أن تعمل منتجات التقادم الناتجة بقوة على المضخات ومحامل النظام الهيدروليكي. لذلك ، يعد الرقم الحمضي معيارًا مهمًا لتقييم حالة المائع الهيدروليكي.
يشير الرقم الحمضي إلى كمية المواد الحمضية أو القلوية في زيت التشحيم. يمكن أن تهاجم الأحماض الموجودة في الزيوت المعدنية مواد البناء في النظام الهيدروليكي. المحتوى الحمضي العالي غير مرغوب فيه ، لأنه ممكن نتيجة الأكسدة.

15. خصائص الحماية المضادة للأكسدة فيما يتعلق بالفولاذ / المعادن الحديدية
يتم تحديد الخصائص المضادة للأكسدة للتوربينات والزيوت الهيدروليكية المحتوية على مواد مضافة فيما يتعلق بالصلب / المعادن الحديدية وفقًا للمعيار DIN 51 585.
غالبًا ما تحتوي السوائل الهيدروليكية على مياه مشتتة أو مذابة أو خالية ، لذلك يجب أن يوفر السائل الهيدروليكي الحماية من التآكل لجميع التجمعات المبللة في ظل جميع ظروف التشغيل ، بما في ذلك تلوث المياه. تحدد طريقة الاختبار هذه أداء المواد المضافة المضادة للتآكل في ظل عدد من ظروف التشغيل المختلفة.
يُخلط الزيت المراد اختباره مع الماء المقطر (الطريقة أ) أو ماء البحر الاصطناعي (الطريقة ب) ، مع التقليب المستمر (لمدة 24 ساعة عند 60 درجة مئوية) بقضيب فولاذي مغمور في الخليط. بعد فحص قضيب الفولاذ بحثًا عن التآكل. تتيح النتائج تقييم الخصائص الوقائية ضد التآكل للزيت فيما يتعلق بمكونات الصلب الملامسة للماء أو بخار الماء:
درجة التآكل 0 تعني عدم التآكل ،
الدرجة 1 - تآكل طفيف.
الدرجة 2 - تآكل معتدل.
الدرجة 3 - تآكل شديد.

16. خصائص مقاومة التآكل (آلة رباعية الكرات صدَفَة; VKA ، DIN 51350)
جهاز رباعي الكرات للشركة صدَفَةيستخدم لقياس خصائص مقاومة التآكل والضغط الشديد للسوائل الهيدروليكية. يتم اختبار قدرة تحمل السوائل الهيدروليكية تحت ظروف الاحتكاك الحدودي. تستخدم الطريقة لتحديد قيم زيوت التزليق مع الإضافات التي تتحمل ضغطًا عاليًا في ظل ظروف الاحتكاك الحدودي بين الأسطح المنزلقة. يتم اختبار زيت التشحيم في جهاز رباعي الكرات ، والذي يتكون من كرة دوارة (مركزية) وثلاث كرات ثابتة مرتبة في حلقة. في ظل ظروف اختبار ثابتة ولمدة محددة ، يتم قياس قطر رقعة التلامس على الكرات الثلاث الثابتة أو الحمل على الكرة الدوارة ، والتي قد تزيد قبل اللحام بالكرات الثلاث المتبقية.

17. ثبات القص لزيوت التشحيم المحتوية على البوليمرات
لتحسين خصائص درجة حرارة اللزوجة ، يتم إدخال البوليمرات في زيوت التزليق ، والتي تُستخدم كإضافات تعمل على تحسين مؤشر اللزوجة. مع زيادة الوزن الجزيئي ، تصبح هذه المواد أكثر حساسية للأحمال الميكانيكية ، مثل تلك الموجودة بين المكبس واسطوانة. لتقييم ثبات القص للزيوت في ظل ظروف مختلفة ، هناك عدة طرق اختبار:
DIN 5350-6 ، طريقة الكرة الرباعية ، DIN 5354-3,FZGطريقة و DIN 51382 ، طريقة حقن وقود الديزل.
انخفاض اللزوجة النسبية بسبب القص بعد اختبار لمدة 20 ساعة DIN 5350-6 (تحديد ثبات القص لزيوت التشحيم المحتوية على البوليمرات المستخدمة في محامل البكرات المخروطية) يتم تطبيقه وفقًا لـ DIN 51524-3 (2006) ؛ يوصى بتخفيض لزوجة القص أقل من 15٪.

18. الاختبار الميكانيكي للسوائل الهيدروليكية في مضخات دوارة دوارة ( DIN 51 389-2)
يسمح الاختبار على مضخات ومضخات Vickers من الشركات المصنعة الأخرى بإجراء تقييم واقعي لأداء السوائل الهيدروليكية. ومع ذلك ، هناك طرق اختبار بديلة قيد التطوير حاليًا (على وجه الخصوص ، المشروع DGMK 514 - الاختبارات الميكانيكية للسوائل الهيدروليكية).
تُستخدم طريقة فيكرز لتحديد خصائص مقاومة التآكل للسوائل الهيدروليكية في مضخة دوارة دوارة عند درجات حرارة وضغوط معينة (140 ضغط جوي ، 250 ساعة تشغيل لزوجة مائع 13 مم 2 / ثانية في درجات حرارة متفاوتة). في نهاية الاختبار ، يتم فحص الخواتم والأجنحة للتآكل ( فيكرز الخامس-104من 10 أو فيكرز الخامس-105منعشرة). قيم التآكل القصوى المسموح بها:< 120 мг для кольца и < 30 мг для крыльев.

19. خصائص مقاومة التآكل (اختبار على الترس FZGانتصاب؛ DIN 534-1 و 2)
تستخدم السوائل الهيدروليكية ، وخاصة درجات اللزوجة العالية ، كزيوت هيدروليكية وزيوت تشحيم في الأنظمة المركبة. اللزوجة الديناميكية هي العامل الرئيسي في أداء مقاومة التآكل في التزييت الهيدروديناميكي. عند سرعات الانزلاق المنخفضة أو الضغوط العالية في ظل ظروف الاحتكاك الحدودي ، تعتمد الخصائص المانعة للتآكل للسائل على المواد المضافة المستخدمة (تكوين طبقة تفاعلية). يتم إعادة إنتاج هذه الشروط الحدودية عند اختبارها من أجل FZGانتصاب.
تستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي لتحديد خصائص حدود مواد التشحيم. يتم تشحيم بعض التروس التي تدور بسرعة معينة عن طريق رش الزيت أو رشه ، حيث يتم تسجيل درجة الحرارة الأولية. يزداد الحمل على جذور الأسنان تدريجياً ويتم تسجيل خصائص مظهر جذور الأسنان. يتكرر هذا الإجراء حتى مرحلة التحميل الثانية عشرة: الضغط الهرتزى في مرحلة الحمل العاشرة في نطاق الاشتباك هو 1539 نيوتن / مم 2 ؛ في المرحلة 11 - 1،691 نيوتن / مم 2 ؛ في المرحلة الثانية عشرة - 1،841 نيوتن / مم 2. درجة الحرارة الأولية في المرحلة 4 هي 90 درجة مئوية ، والسرعة الطرفية 8.3 م / ث ، ولم يتم تحديد حد درجة الحرارة ؛ يتم استخدام هندسة التروس.
يتم تحديد مرحلة تحميل الفشل من خلال DIN 51524-2. للحصول على نتيجة إيجابية ، يجب أن تكون الخطوة العاشرة على الأقل. السوائل الهيدروليكية التي تلبي المتطلبات ISO VG 46 ، التي لا تحتوي على إضافات مقاومة للتآكل ، تصل عادةً إلى مرحلة الحمل 6 (≈ 929 نيوتن / مم 2). عادة ما تصل السوائل الهيدروليكية المحتوية على الزنك إلى مرحلة الحمل 10-11 على الأقل قبل الفشل. خالية من الزنك يسمى زافيمكن أن تتحمل السوائل الهيدروليكية مرحلة الحمل 12 أو أعلى.

رومان ماسلوف.
بناء على مواد من منشورات أجنبية.

عندما تتغير درجة الحرارة ، يحدث تغيير في حجم المادة الصلبة ، وهو ما يسمى بالتمدد الحراري. هناك تمدد حراري خطي وحجمي. تتميز هذه العمليات بمعاملات التمدد الحراري (الحراري): - متوسط ​​معامل التمدد الحراري الخطي ، متوسط ​​معامل التمدد الحراري الحجمي.

تعريف

معامل التمدد الحراريتسمى كمية فيزيائية تميز التغير في الأبعاد الخطية لجسم صلب مع تغير في درجة حرارته.

تطبيق ، عادة متوسط ​​معامل التمدد الخطي. هذه سمة من سمات التمدد الحراري للمادة.

إذا كان الطول الأولي للجسم هو ، - استطالة مع زيادة درجة حرارة الجسم ، فإنه يتم تحديدها من خلال الصيغة:

معامل الاستطالة الخطية هو سمة من سمات الاستطالة النسبية () ، والتي تحدث مع زيادة درجة حرارة الجسم بمقدار 1 كلفن.

مع زيادة درجة الحرارة ، يزداد حجم المادة الصلبة. كأول تقدير تقريبي ، يمكننا أن نفترض أن:

أين هو الحجم الأولي للجسم ، هو التغير في درجة حرارة الجسم. ثم معامل التمدد الحجمي للجسم هو كمية فيزيائية تميز التغير النسبي في حجم الجسم () ، والذي يحدث عندما يسخن الجسم بمقدار 1 كلفن ويبقى الضغط دون تغيير. التعريف الرياضي لمعامل التمدد الحجمي هو الصيغة:

يرتبط التمدد الحراري لجسم صلب بعدم توافق الاهتزازات الحرارية للجسيمات التي تشكل الشبكة البلورية للجسم. نتيجة لهذه التذبذبات ، مع زيادة درجة حرارة الجسم ، تزداد مسافة التوازن بين الجسيمات المجاورة لهذا الجسم.

عندما يتغير حجم الجسم ، تتغير كثافته:

أين هي الكثافة الأولية وهي كثافة المادة عند درجة الحرارة الجديدة. نظرًا لأن القيمة يتم كتابة التعبير (4) أحيانًا على النحو التالي:

معاملات التمدد الحراري تعتمد على المادة. بشكل عام ، سوف يعتمدون على درجة الحرارة. تعتبر معاملات التمدد الحراري مستقلة عن درجة الحرارة في نطاق درجات حرارة صغير.

هناك عدد من المواد التي لها معامل التمدد الحراري السلبي. وهكذا ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتقلص هذه المواد. يحدث هذا عادة في نطاق درجة حرارة ضيقة. هناك مواد يكون فيها معامل التمدد الحراري مساويًا تقريبًا للصفر حول نطاق درجة حرارة معين.

يستخدم التعبير (3) ليس فقط للمواد الصلبة ، ولكن أيضًا للسوائل. في الوقت نفسه ، يعتبر أن معامل التمدد الحراري لإسقاط السوائل لا يتغير بشكل كبير مع درجة الحرارة. ومع ذلك ، عند حساب أنظمة التدفئة ، يؤخذ في الاعتبار.

علاقة معاملات التمدد الحراري

الوحدات

الوحدة الأساسية لقياس معاملات التمدد الحراري في نظام SI هي:

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

ممارسه الرياضه

من أجل تحديد معامل التمدد الحجمي للسوائل ، يتم استخدام أجهزة تسمى مقاييس pycnometers. هذه قوارير زجاجية ذات رقبة ضيقة (الشكل 1). على الرقبة توضع علامات على سعة الوعاء (عادة بالمللي). كيف يتم استخدام مقاييس ضغط الدم؟

المحلول

يتم قياس معامل التمدد الحجمي على النحو التالي. يملأ مقياس الكثافة بالسائل الذي تم فحصه ، حتى العلامة المختارة. يتم تسخين القارورة ، مع ملاحظة التغيير في مستوى المادة. مع القيم المعروفة مثل: الحجم الأولي لمقياس pycnometer ، مساحة المقطع العرضي لقناة عنق القارورة ، يحدد التغير في درجة الحرارة نسبة الحجم الأولي للسائل الذي دخل عنق القارورة pycnometer عند تسخينه بمقدار 1 كلفن ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن معامل التمدد للسائل أكبر من القيمة التي تم الحصول عليها ، حيث كان هناك تسخين وتمدد ودوارق. لذلك ، لحساب معامل تمدد السائل ، يضاف معامل التمدد لمادة القارورة (الزجاج عادة). يجب القول أنه نظرًا لأن معامل التمدد الحجمي للزجاج أقل بكثير من معامل التمدد للسوائل ، في الحسابات التقريبية ، يمكن إهمال معامل التمدد للزجاج.

مثال 2

ممارسه الرياضه

ما هي خصائص تمدد المياه؟ ما مغزى هذه الظاهرة؟

المحلول

على عكس معظم المواد السائلة الأخرى ، يتمدد الماء عند تسخينه فقط إذا كانت درجة الحرارة أعلى من 4 درجات مئوية ، في نطاق درجة الحرارة ، يتناقص حجم الماء مع زيادة درجة الحرارة. المياه العذبة لها كثافة قصوى. بالنسبة لمياه البحر ، يتم الوصول إلى أقصى كثافة عند. تؤدي زيادة الضغط إلى خفض درجة حرارة أقصى كثافة للماء. نظرًا لأن ما يقرب من 80 ٪ من سطح كوكبنا مغطى بالمياه ، فإن ميزات توسعها تلعب دورًا مهمًا في خلق المناخ على الأرض. تسخن أشعة الشمس المتساقطة على سطح الماء. إذا كانت درجة الحرارة أقل من 1-2 درجة مئوية ، فإن طبقات الماء الساخنة تكون ذات كثافة أعلى من الطبقات الباردة وتغرق. في الوقت نفسه ، تحتل طبقات أكثر برودة مكانها ، والتي بدورها تسخن. لذلك هناك تغيير مستمر لطبقات الماء وهذا يؤدي إلى تسخين عمود الماء حتى الوصول إلى الكثافة القصوى. تؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة إلى حقيقة أن الطبقات العليا من الماء تقلل كثافتها وتبقى في الأعلى. لذلك ، اتضح أن طبقة كبيرة من الماء ترتفع درجة حرارتها إلى أقصى درجة حرارة بسرعة كبيرة ، وأن الزيادة الإضافية في درجة الحرارة بطيئة. نتيجة لذلك ، تبلغ درجة حرارة المسطحات المائية العميقة للأرض من عمق معين حوالي 2-3 درجة مئوية ، وفي الوقت نفسه ، يمكن أن تصل درجة حرارة الطبقات العليا من المياه في بحار البلدان الدافئة إلى حوالي 30 درجة مئوية وما فوق.

الروابط بين الجزيئات السائلة ، كما نعلم ، أضعف من الروابط بين الجزيئات في المادة الصلبة. لذلك ، يجب توقع أن السوائل تتمدد إلى حد أكبر من المواد الصلبة تحت نفس التسخين. هذا ما أكدته التجربة بالفعل.

املأ قارورة برقبة ضيقة وطويلة بسائل ملون (ماء أو كيروسين أفضل) حتى نصف العنق وحدد مستوى السائل بحلقة مطاطية. بعد ذلك ، أنزل القارورة في وعاء به ماء ساخن. أولاً ، سيُلاحظ انخفاض في مستوى السائل في عنق القارورة ، ثم يبدأ المستوى في الارتفاع والارتفاع بشكل ملحوظ فوق المستوى الأولي. هذا يرجع إلى حقيقة أن الوعاء يتم تسخينه في البداية ويزداد حجمه. يؤدي هذا إلى انخفاض مستوى السائل. ثم يسخن السائل. التوسع ، لا يملأ الحجم المتزايد للسفينة فحسب ، بل يتجاوز هذا الحجم أيضًا بشكل كبير. لذلك ، تتوسع السوائل إلى حد أكبر من المواد الصلبة.

معاملات درجة حرارة التمدد الحجمي للسوائل أكبر بكثير من معاملات التمدد الحجمي للمواد الصلبة ؛ يمكن أن تصل إلى قيمة 10 -3 ك -1.

لا يمكن تسخين السائل دون تسخين الوعاء الذي يوجد فيه. لذلك ، لا يمكننا ملاحظة التمدد الحقيقي للسائل في الوعاء ، لأن توسع الوعاء يقلل من الزيادة الواضحة في حجم السائل. ومع ذلك ، فإن معامل التمدد الحجمي للزجاج والمواد الصلبة الأخرى عادة ما يكون أقل بكثير من معامل التمدد الحجمي للسائل ، ومع عدم وجود قياسات دقيقة للغاية ، يمكن إهمال الزيادة في حجم الوعاء.

ميزات تمدد المياه

السائل الأكثر شيوعًا على الأرض - الماء - له خصائص خاصة تميزه عن السوائل الأخرى. في الماء ، عند تسخينه من 0 إلى 4 درجات مئوية ، لا يزيد الحجم ، ولكنه ينخفض. فقط من 4 درجات مئوية يبدأ حجم الماء في الزيادة عند تسخينه. عند 4 درجات مئوية ، يكون حجم الماء في حده الأدنى والكثافة القصوى *. يوضح الشكل 9.4 علاقة تقريبية بين كثافة الماء ودرجة الحرارة.

* تشير هذه البيانات إلى المياه العذبة (النقية كيميائياً). تتميز مياه البحر بأعلى كثافة لها عند حوالي 3 درجات مئوية.

الخاصية المميزة للمياه لها تأثير كبير على طبيعة انتقال الحرارة في المسطحات المائية. عندما يتم تبريد الماء ، تزداد كثافة الطبقات العليا أولاً وتغرق. ولكن بعد أن تصل درجة حرارة الهواء إلى 4 درجات مئوية ، يؤدي المزيد من التبريد بالفعل إلى تقليل الكثافة ، وتبقى طبقات الماء الباردة على السطح. نتيجة لذلك ، في الخزانات العميقة ، حتى في درجات حرارة الهواء المنخفضة جدًا ، تبلغ درجة حرارة الماء حوالي 4 درجات مئوية.

يزداد حجم الأجسام السائلة والصلبة بالتناسب المباشر مع زيادة درجة الحرارة. تم العثور على شذوذ بالقرب من الماء: كثافته القصوى عند 4 درجات مئوية.

§ 9.4. محاسبة واستخدام التمدد الحراري للهيئات في الهندسة

على الرغم من أن الأبعاد والأحجام الخطية للأجسام تتغير قليلاً مع تغيرات درجات الحرارة ، إلا أن هذا التغيير يجب أن يؤخذ في الاعتبار في الممارسة العملية ؛ في الوقت نفسه ، تستخدم هذه الظاهرة على نطاق واسع في الحياة اليومية والتكنولوجيا.

يمثل التمدد الحراري للأجسام

يؤدي التغيير في حجم المواد الصلبة بسبب التمدد الحراري إلى ظهور قوى مرنة ضخمة إذا حالت أجسام أخرى دون هذا التغيير في الحجم. على سبيل المثال ، عوارض الجسر الفولاذية ذات المقطع العرضي 100 سم 2 ، عند تسخينها من -40 درجة مئوية في الشتاء إلى +40 درجة مئوية في الصيف ، إذا كانت الدعامات تمنع استطالة ، فإنها تخلق ضغطًا على الدعامات (الإجهاد) حتى 1.6 10 8 باسكال ، أي أنه يعمل على دعامات بقوة 1.6 10 6 نيوتن.

يمكن الحصول على القيم المعطاة من قانون وصيغة هوك (9.2.1) للتمدد الحراري للأجسام.

وفقا لقانون هوك ، الإجهاد الميكانيكي
،أين
- استطالة ، أ ه- معامل يونج. بحسب (9.2.1)
. استبدال قيمة الاستطالة النسبية هذه في صيغة قانون هوك ، نحصل عليها

(9.4.1)

الصلب لديه معامل يونغ ه= 2.1 10 11 باسكال ، معامل درجة حرارة التمدد الخطي α 1 \ u003d 9 10 -6 ك -1. استبدال هذه البيانات في التعبير (9.4.1) ، نحصل على ذلك لـ Δ ر = 80 درجة مئوية إجهاد ميكانيكي σ = 1.6 10 8 باسكال.

لان س \ u003d 10-2 م 2 ، ثم القوة F = σS = 1.6 10 6 ن.

لتوضيح القوى التي تظهر عند تبريد قضيب معدني ، يمكن إجراء التجربة التالية. نقوم بتسخين قضيب حديدي بفتحة في النهاية يتم إدخال قضيب من الحديد الزهر فيه (الشكل 9.5). ثم نقوم بإدخال هذا القضيب في حامل معدني ضخم به أخاديد. عندما يتم تبريد القضيب ، فإنه يتقلص ، وتنشأ فيه قوى مرنة كبيرة بحيث ينكسر قضيب الحديد الزهر.

يجب مراعاة التمدد الحراري للأجسام عند تصميم العديد من الهياكل. يجب اتخاذ تدابير لضمان أن الأجسام حرة في التمدد أو الانكماش مع تغير درجة الحرارة.

من المستحيل ، على سبيل المثال ، سحب أسلاك التلغراف بإحكام ، وكذلك أسلاك خطوط الكهرباء (خطوط الكهرباء) بين الدعامات. في الصيف ، يكون ترهل الأسلاك أكبر بشكل ملحوظ من الشتاء.

يجب تزويد خطوط أنابيب البخار المعدنية ، وكذلك أنابيب تسخين المياه ، بانحناءات (معوضات) على شكل حلقات (الشكل 9.6).

يمكن أن تنشأ الضغوط الداخلية أثناء التسخين غير المتكافئ لجسم متجانس. على سبيل المثال ، قد تنفجر زجاجة زجاجية أو زجاج مصنوع من الزجاج السميك إذا تم سكب الماء الساخن فيهما. بادئ ذي بدء ، يتم تسخين الأجزاء الداخلية من الوعاء الملامسة للماء الساخن. يتمددون ويمارسون ضغطًا كبيرًا على الأجزاء الباردة الخارجية. لذلك ، قد يحدث تدمير للسفينة. لا ينفجر الزجاج الرقيق عند سكب الماء الساخن فيه ، حيث يسخن أجزائه الداخلية والخارجية بسرعة متساوية.

زجاج الكوارتز له معامل درجة حرارة منخفض للغاية للتوسع الخطي. هذا الزجاج يقاوم ، دون تكسير أو تسخين أو تبريد غير متساوٍ. على سبيل المثال ، يمكن سكب الماء البارد في دورق زجاجي كوارتز ساخن باللون الأحمر ، بينما تنفجر قارورة زجاجية عادية أثناء مثل هذه التجربة.

يجب أن يتم ربط المواد غير المتشابهة التي تتعرض للتسخين والتبريد بشكل دوري معًا فقط عندما تتغير أبعادها بنفس الطريقة مع تغيرات درجات الحرارة. هذا مهم بشكل خاص لأحجام المنتجات الكبيرة. لذلك ، على سبيل المثال ، يتمدد الحديد والخرسانة بنفس الطريقة عند تسخينها. هذا هو السبب في أن الخرسانة المسلحة أصبحت منتشرة على نطاق واسع - محلول خرساني مقوى يصب في شبكة فولاذية - تقوية (الشكل 9.7). إذا تمدد الحديد والخرسانة بشكل مختلف ، فنتيجة للتقلبات اليومية والسنوية في درجات الحرارة ، سينهار الهيكل الخرساني المسلح قريبًا.

بعض الأمثلة الأخرى. الموصلات المعدنية الملحومة في أنابيب زجاجية من المصابيح الكهربائية ومصابيح الراديو مصنوعة من سبيكة (الحديد والنيكل) لها نفس معامل التمدد مثل الزجاج ، وإلا فإن الزجاج سيتصدع عند تسخين المعدن. يجب أن يكون للمينا التي تُطلى بها الأطباق والمعدن الذي تُصنع منه هذه الأطباق نفس معامل التمدد الطولي. خلاف ذلك ، سينفجر المينا عندما يتم تسخين وتبريد الأطباق المغطاة به.

يمكن أيضًا تطوير قوى كبيرة بواسطة سائل إذا تم تسخينه في وعاء مغلق لا يسمح للسائل بالتمدد. يمكن أن تؤدي هذه القوى إلى تدمير السفن التي تحتوي على سائل. لذلك ، يجب أيضًا مراعاة خاصية السائل هذه. على سبيل المثال ، يتم دائمًا تزويد أنظمة أنابيب تسخين المياه بخزان تمدد متصل بأعلى النظام ويتم تنفيسه في الغلاف الجوي. عندما يتم تسخين الماء في نظام الأنابيب ، يمر جزء صغير من الماء إلى خزان التمدد ، وهذا يزيل حالة الإجهاد للماء والأنابيب. للسبب نفسه ، يحتوي محول الطاقة المبرد بالزيت على خزان تمدد الزيت في الأعلى. عندما ترتفع درجة الحرارة ، يرتفع مستوى الزيت في الخزان ، وعندما يبرد الزيت ، ينخفض.

التمدد الحراري للسائل هو أنه يمكن أن يغير حجمه مع تغير درجة الحرارة. هذه الخاصية تتميز ب معامل درجة حرارة التمدد الحجمي ، تمثل التغير النسبي في حجم السائل مع تغير في درجة الحرارة لكل وحدة (بمقدار 1 درجة مئوية) وعند ضغط ثابت:

بالتشابه مع خاصية الانضغاط للسائل ، يمكننا الكتابة

أو من خلال الكثافة

يحدث التغيير في الحجم مع تغير درجة الحرارة بسبب تغير الكثافة.

المعامل لمعظم السوائل  ر يتناقص مع زيادة الضغط. معامل في الرياضيات او درجة  ر مع انخفاض كثافة المنتجات النفطية من 920 قبل 700 كجم / م 3 يزيد من 0,0006 قبل 0,0008 ؛ للسوائل الهيدروليكية  ر تؤخذ عادة بشكل مستقل عن درجة الحرارة. بالنسبة لهذه السوائل ، يتم زيادة الضغط من الغلاف الجوي إلى 60 ميجا باسكال يؤدي إلى النمو  ر لحوالي 10 – 20 % . في نفس الوقت ، كلما ارتفعت درجة حرارة سائل العمل ، زادت الزيادة  ر . للمياه ذات الضغط المتزايد عند درجات حرارة تصل إلى 50 حول ج  ر ينمو ، وفي درجات حرارة أعلى 50 حول ج النقصان.

إذابة الغازات

إذابة الغازات - قدرة السائل على امتصاص (إذابة) الغازات الملامسة له. تمتص جميع السوائل الغازات وتذيبها إلى حد ما. تتميز هذه الخاصية معامل الذوبان ك ص .

ه إذا كان السائل الموجود في وعاء مغلق على اتصال مع غاز تحت الضغط ص 1 ، ثم سيبدأ الغاز في الذوبان في السائل. بعد فترة من الزمن

سيتشبع السائل بالغاز وسيتغير الضغط في الوعاء. يرتبط معامل الذوبان بالتغير في الضغط في الوعاء بحجم الغاز المذاب وحجم السائل بالعلاقة التالية

أين الخامس جي هو حجم الغاز المذاب في الظروف العادية ،

الخامس و هو حجم السائل ،

ص 1 و ص 2 هي ضغوط الغاز الأولية والنهائية.

يعتمد عامل الذوبان على نوع السائل والغاز ودرجة الحرارة.

عند درجة حرارة 20 درجة مئوية والضغط الجوي ، يحتوي الماء على حوالي 1,6% الهواء المذاب بالحجم ( ك ص = 0,016 ). مع ارتفاع درجة الحرارة من 0 قبل 30 درجة مئوية ينخفض ​​معامل ذوبان الهواء في الماء. معامل الذوبان للهواء في الزيوت عند درجة الحرارة 20 درجة مئوية حول 0,08 – 0,1 . للأكسجين قابلية ذوبان أعلى من الهواء ، لذا فإن محتوى الأكسجين للهواء الذائب في السائل يكون تقريبًا 50% أعلى من الغلاف الجوي. عندما ينخفض ​​الضغط ، يتم إطلاق الغاز من السائل. تستمر عملية تطور الغاز بشكل مكثف أكثر من عملية الانحلال.

الغليان

الغليان هو قدرة السائل على التحول إلى الحالة الغازية. خلاف ذلك ، تسمى خاصية السوائل هذه تبخر .

يمكن إحضار السائل إلى درجة الغليان عن طريق رفع درجة الحرارة إلى قيم أكبر من نقطة الغليان عند ضغط معين ، أو عن طريق خفض الضغط إلى قيم أقل من ضغط بخار التشبع. ص np السوائل عند درجة حرارة معينة. يسمى تكوين الفقاعات عندما ينخفض ​​الضغط إلى ضغط بخار مشبع بالغليان البارد.

يُطلق على السائل الذي تمت إزالة الغاز منه بداخله اسم منزوع الغاز. في مثل هذا السائل ، لا يحدث الغليان حتى عند درجة حرارة أعلى من نقطة الغليان عند ضغط معين.