Tečnosti sa visokim koeficijentom ekspanzije. Koeficijent toplinske ekspanzije

Početna > Zakon

Zatezna čvrstoća tekućine se ne uzima u obzir pri rješavanju praktičnih problema. Temperaturno širenje kapajućih tečnosti karakteriše koeficijent termičke ekspanzije β t, izražavajući relativno povećanje zapremine tečnosti sa povećanjem temperature za 1 stepen, tj.:

Gdje W - početni volumen tečnosti; Δ W - promjena ovog volumena s povećanjem temperature za iznos ΔT . Koeficijent termičke ekspanzije kapajućih tečnosti, kao što se može videti iz tabele. 5 je beznačajno.

Tabela 5

Koeficijent toplinske ekspanzije vode
Pritisak Pa∙10 4	Na temperaturi, °S

Dakle, za vodu kada se temperatura promijeni od 10 do 20 ° C i pri pritisku od 10 5 Pa β t=0,00015 1/deg. Sa značajnim temperaturnim razlikama, uticaj temperature na specifičnu težinu u nekim slučajevima mora se uzeti u obzir. Gustina i specifična težina kapajućih tekućina, kao što slijedi iz prethodnih razmatranja, malo se mijenjaju s promjenama tlaka i temperature. Možemo približno pretpostaviti da gustina ne zavisi od pritiska i da je određena samo temperaturom. Iz izraza (9) i (1) može se pronaći približan odnos za izračunavanje promjene gustine tečnosti koja pada sa temperaturom:

Vrijednosti koeficijenta u (10) nalaze se iz tabela unutar datog temperaturnog raspona (vidi, na primjer, tabelu 5). Sposobnost tečnosti da menjaju gustinu (specifičnu težinu) sa promenama temperature se široko koristi za stvaranje prirodne cirkulacije u kotlovima, sistemima grejanja, za uklanjanje produkata sagorevanja itd. B tabela. 6 prikazuje gustinu vode na različitim temperaturama.

Tabela 6

Ovisnost gustine ρ, kinematičke ν i dinamičke μ viskoznosti vode o temperaturi
Temperatura, °C		ν∙10 4 , m 2 /s	μ∙10 3 , Pa∙s

Za razliku od kapajućih tekućina, plinovi se odlikuju značajnom kompresibilnošću i visokim vrijednostima koeficijenta toplinskog širenja. Zavisnost gustine gasova od pritiska i temperature utvrđuje se jednadžbom stanja. Najjednostavnija svojstva posjeduje plin razrijeđen do te mjere da se interakcija između njegovih molekula može zanemariti - tzv. savršeni ( idealan) gas. Za savršene plinove vrijedi Clapeyronova jednačina, koja omogućava određivanje gustine plina pri poznatom tlaku i temperaturi:

(11)

Gdje R - apsolutni pritisak; R - specifična gasna konstanta, različita za različite gasove, ali nezavisna od temperature i pritiska [za vazduh R=287 J/(kg∙K)] ; T je apsolutna temperatura. Ponašanje stvarnih plinova u uvjetima daleko od ukapljivanja tek se neznatno razlikuje od ponašanja savršenih plinova, a za njih se jednačine stanja savršenih plinova mogu koristiti u širokom rasponu. U inženjerskim proračunima obično rezultira gustoća plina normalno fizičkim uslovima (t=0°; p=101 325 Pa) ili do standard uslovima (t=20° S; r= 101325 Pa). Gustina vazduha na R=287 J/(kg∙K) u standardnim uslovima prema formuli (11) biće jednaka ρ 0 =101325/287/(273+20)=1,2 kg/m 3 . Gustoća zraka u drugim uvjetima određena je formulom:

(12)

Na sl. 1 prikazani su grafovi zavisnosti gustine vazduha od temperature određene ovom formulom pri različitim pritiscima.

Rice. 1 Zavisnost gustine vazduha od barometarskog pritiska i temperature

Za izotermni proces (T=const) iz formule (12) imamo:

(13)

(14)

Gdje k=s p /s ν je adijabatska konstanta gasa; c p je toplotni kapacitet gasa pri konstantnom pritisku; With ν - isto, sa konstantnom jačinom. Kompresibilnost gasova zavisi od prirode procesa promene stanja. Za izotermni proces:

(15)

Za adijabatski proces:

Iz izraza (15) proizlazi da je izotermna kompresibilnost atmosferskog zraka ~9,8∙10 4 Pa ​​(oko 1 atm), što je oko 20 hiljada puta veće od kompresibilnosti vode. Pošto zapremina gasa u velikoj meri zavisi od temperature i pritiska, zaključci dobijeni proučavanjem kapajućih tečnosti mogu se proširiti na gasove samo ako su, u granicama fenomena koji se razmatra, promene pritiska i temperature beznačajne. Značajne razlike u tlaku, koje uzrokuju značajnu promjenu gustine plinova, mogu se pojaviti kada se kreću velikom brzinom. Odnos između brzine fluida i brzine zvuka u njemu omogućava da se proceni potreba da se uzme u obzir kompresibilnost u svakom konkretnom slučaju. U praksi se gas može uzeti nestišljiv pri brzinama koje ne prelaze 100 m/s. Viskoznost tečnosti. Viskoznost je svojstvo tečnosti da se odupre smicanju. Sve stvarne tečnosti imaju određenu viskoznost, koja se manifestuje u obliku unutrašnjeg trenja tokom relativnog kretanja susednih čestica fluida. Uz lako pokretne tekućine (na primjer, voda, zrak), postoje vrlo viskozne tekućine čija je otpornost na smicanje vrlo značajna (glicerin, teška ulja itd.). Dakle, viskoznost karakteriše stepen fluidnosti tečnosti ili pokretljivost njenih čestica. Neka tečnost teče duž ravnog zida u slojevima koji su paralelni sa njim (slika 2), kao što se vidi u laminarnom kretanju. Zbog efekta usporavanja zida, slojevi fluida će se kretati različitim brzinama, čije se vrijednosti povećavaju s rastojanjem od zida.

Rice. 2 Raspodjela brzine za protok fluida duž čvrstog zida

Zamislite dva sloja fluida koji se kreću na daljinu Δu jedno od drugog. Layer A krećući se brzinom u , sloj AT - brzinom u + Δu . Zbog razlike u brzinama u jedinici vremena, sloj AT pomera u odnosu na sloj A za Δ u . Vrijednost Δ u je apsolutni pomak sloja A duž sloja B, i Δ u /Δ y je gradijent brzine (relativni pomak). Tangencijalni napon koji se pojavljuje tokom ovog kretanja (sila trenja po jedinici površine) će biti označen sa . Zatim, slično fenomenu smicanja u čvrstim tijelima, dobijamo sljedeći odnos između napona i deformacije:

(17)

Ili, ako su slojevi beskonačno blizu jedan drugom,

(18)

Vrijednost µ , sličan koeficijentu smicanja u čvrstim tvarima i koji karakterizira otpor tekućine na smicanje, naziva se dinamičan ili apsolutno viskozitet. Postojanje relacije (18) prvi ukazuje Njutn, pa se zato naziva Njutnov zakon trenja. U međunarodnom sistemu jedinica, dinamička viskoznost se izražava u H s / m 2 ili Pa s. U tehničkom sistemu jedinica dinamička viskoznost ima dimenziju kgf∙s∙m -2 . U CGS sistemu, poise (P) se uzima kao jedinica dinamičkog viskoziteta u znak sjećanja na francuskog doktora Poiseuillea, koji je proučavao zakone kretanja krvi u sudovima ljudskog tijela, jednak 1 g∙cm -1∙ s -1; 1 Pa s = 0,102 kgf s / m 2 = 10 P. Viskoznost tekućina uvelike ovisi o temperaturi; u ovom slučaju, viskoznost kapajućih tečnosti opada sa porastom temperature, a viskoznost gasova raste. To se objašnjava činjenicom da je priroda viskoznosti kapajućih tekućina i plinova različita. U plinovima, prosječna brzina (intenzitet) toplinskog kretanja molekula raste s porastom temperature, pa se stoga povećava i viskozitet. U kapanju tekućina, molekuli se ne mogu kretati, kao u plinu, u svim smjerovima, mogu samo oscilirati oko svoje prosječne pozicije. S povećanjem temperature povećavaju se prosječne brzine vibracijskih kretanja molekula, zbog čega se veze koje ih drže lakše savladavaju, a tekućina dobiva veću pokretljivost (smanjuje se njen viskozitet). Dakle, za čistu slatku vodu, ovisnost dinamičke viskoznosti o temperaturi određena je Poiseuilleovom formulom:

(19)

Gdje µ - apsolutni (dinamički) viskozitet tečnosti u P; t - temperatura u °C. Sa porastom temperature od 0 do 100 °C, viskoznost vode se smanjuje za skoro 7 puta (vidi tabelu 6). Na temperaturi od 20°C, dinamički viskozitet vode je 0,001 Pa∙s=0,01 P. Voda spada u najmanje viskozne tečnosti. Samo nekoliko tekućina koje se praktično koriste (npr. eter i alkohol) imaju nešto niži viskozitet od vode. Tečni ugljični dioksid ima najmanji viskozitet (50 puta manji od viskoziteta vode). Sva tečna ulja imaju mnogo veći viskozitet od vode (ricinusovo ulje na 20°C ima viskozitet 1000 puta veći od vode na istoj temperaturi). B stol. 1.7 prikazuje vrijednosti viskoziteta nekih tekućina.

Tabela 7

Kinematički i dinamički viskozitet kapajućih tečnosti (pri t=20°C)
Tečnost		ν∙10 4 , m 2 /s
Svježa voda
Glicerin bezvodni
kerozin (na 15°C)
Benzin (na 15°C)
ricinusovo ulje
Mineralno ulje
Ulje na 15°C
Bezvodni etil alkohol

Za određivanje vrijednosti dinamičke viskoznosti zraka u MKGSS sistemu koristi se Millikanova formula:

Što daje pri t = 15 ° C = 1,82 ∙ 10 -6 kgf s / m 2 (~ 1,82 ∙ 10 -5 Pa s). Dinamički viskozitet drugih gasova je otprilike istog reda veličine. Uz koncept apsolutne ili dinamičke viskoznosti, koncept kinematička viskoznost; što je odnos apsolutne viskoznosti i gustine tečnosti:

(21)

Ova viskoznost se zove kinematička, budući da u njegovoj dimenziji nema jedinica sile. Zapravo, zamjenom dimenzije µ i ρ , dobijamo [ v]=[L 2 /T]. U međunarodnom sistemu jedinica kinematička viskoznost se mjeri u m 2 / s; Jedinica za mjerenje kinematičke viskoznosti u CGS sistemu je Stokes (u čast engleskog fizičara Stokesa): 1 St = 1 cm 2 / s = 10 -4 m 2 / s. Stoti dio Stokesa naziva se centistokes (cSt): 1 m 2 / s = 1 ∙ 10 4 St = 1 ∙ 10 6 cCt. U tabeli. Slika 7 prikazuje numeričke vrijednosti kinematičke viskoznosti kapajućih tekućina; 3 - ovisnost kinematičke viskoznosti vode i industrijskog ulja o temperaturi. Za preliminarne proračune, vrijednost kinematičke viskoznosti vode v može se uzeti jednakim 0,01 cm 2 / s = 1,10 -6 m 2 / s, što odgovara temperaturi od 20 ° C.

Rice. 3 Ovisnost kinematičke viskoznosti vode i ulja o temperaturi

Kinematički viskozitet kapajućih tečnosti pri pritiscima koji se u praksi susreću u većini slučajeva (do 200 atm) vrlo malo zavisi od pritiska, a ova promena se zanemaruje u konvencionalnim hidrauličkim proračunima. Kinematički viskozitet gasova zavisi i od temperature i od pritiska, povećavajući se sa povećanjem temperature i opadajući sa povećanjem pritiska (tablica 8). Kinematički viskozitet vazduha za normalne uslove (temperatura 20°C, pritisak ~ 1at) v= µ/ ρ \u003d 1,57 ∙ 10 -5 m 2 / s, tj. oko 15 puta više nego za vodu na istoj temperaturi. Ovo se objašnjava činjenicom da nazivnik izraza za kinematičku viskoznost (21) uključuje gustinu koja je mnogo manja za gasove nego za kapajuće tečnosti. Da biste izračunali kinematičku viskoznost zraka pri različitim temperaturama i pritiscima, možete koristiti grafikon (slika 4).

Tabela 1.8

Vrijednosti kinematičke ν i specifične plinske konstante K za neke plinove
	ν∙10 4 , m 2 /s pri temperaturi u °C				R, J/(kg∙K)
					Federalni zakoni Ruske Federacije: “O obrazovanju” (od 10. jula 1992. br. 3266-1) i “O visokom i postdiplomskom stručnom obrazovanju” (od 22. avgusta 1996. br. 125-FZ); Glavni obrazovni program visokog stručnog obrazovanja Smjer obuke 270800 Građevinarstvo (1) Glavni obrazovni program 1.1. Svrha (misija) BEP-a je priprema konkurentnog profesionalca koji je spreman za rad u oblastima vezanim za pružanje građevinarstva, kao i sposoban za dalje profesionalno samousavršavanje i kreativni razvoj.

15.07.2012
Fizička svojstva hidrauličkih ulja i njihov utjecaj na performanse

1. Viskoznost, viskozitetno-temperaturne karakteristike
Viskoznost je najvažniji kriterij za procjenu nosivosti hidrauličkog ulja. Viskoznost se razlikuje po dinamičkim i kinematičkim pokazateljima.
Industrijska ulja za podmazivanje i hidraulička ulja klasificiraju se prema ISO razreda viskoznosti zasnovane na njihovoj kinematičkoj viskoznosti, koja se zauzvrat opisuje kao omjer dinamičke viskoznosti prema gustoći. Referentna temperatura je 40 °C. Zvanična mjerna jedinica ( Sv) za kinematičku viskoznost je m 2 /s, au industriji prerade nafte jedinica za kinematičku viskoznost je cSt(centistokes) ili mm 2 /s. Klasifikacija viskoziteta ISO, DIN 51519 za tečna industrijska maziva opisuje 18 razreda (klasa) viskoznosti od 2 do 1500 mm 2 / s na temperaturi od 40 ° C. Svaki razred je određen prosječnom viskoznošću na 40 °C i sa tolerancijom od ± 10% od ove vrijednosti. Ovisnost viskozitet-temperatura je od velike važnosti za hidraulična ulja. Viskoznost naglo raste sa padom temperature i opada sa porastom temperature. Praktično, prag viskoznosti fluida (dozvoljeni startni viskozitet, cca. 800 - 2000 mm 2 /s) je neophodan za upotrebu u različitim tipovima pumpi. Minimalna dozvoljena viskoznost pri visokim temperaturama određena je početkom faze graničnog trenja. Minimalni viskozitet ne bi trebao biti manji od 7-10 mm 2 /s kako bi se izbjeglo neprihvatljivo trošenje pumpi i motora. Krivulje na grafovima viskoznost-temperatura opisuju ovisnost viskoznosti hidrauličnih tekućina o temperaturi. U linijskim uslovima V-T- krive su hiperbolične. Matematičkom transformacijom, ove V - T- krive se mogu predstaviti kao prave linije. Ove linije omogućavaju precizno određivanje viskoznosti u širokom temperaturnom rasponu. Indeks viskoznosti (VI) je kriterijum V - T- zavisnosti, i V-T- kriva - gradijent na grafikonu. Što je veći VI hidrauličkog fluida, to je manja promena viskoziteta sa temperaturom, tj. V - T- kriva. Hidraulička ulja na bazi mineralnih ulja obično imaju prirodni IV od 95-100. Sintetička hidraulična ulja na bazi estera imaju granični VI od 140-180, a poliglikoli imaju prirodni IV od 180-200 (slika 1)

Indeks viskoznosti se također može poboljšati aditivima (polimernim aditivima koji moraju biti otporni na smicanje) koji se nazivaju VI poboljšivači ili aditivi viskoznosti. Hidraulična ulja visokog VI omogućavaju lako pokretanje, smanjuju gubitak performansi na niskim temperaturama okoline i poboljšavaju zaptivanje i zaštitu od habanja pri visokim radnim temperaturama. Ulja visokog indeksa povećavaju efikasnost sistema i produžavaju vek komponenti koje su podložne habanju (što je veći viskozitet na radnim temperaturama, to je bolji odnos zapremine).

2. Zavisnost viskoziteta od pritiska
Nosivost filma za podmazivanje određena je ovisnošću o pritisku viskoziteta maziva. Dinamički viskozitet tečnih medija raste sa povećanjem pritiska. Sljedeći je metod za kontrolu dinamičkog viskoziteta u odnosu na pritisak na konstantnoj temperaturi.
Ovisnost viskoznosti od pritiska, odnosno povećanje viskoznosti sa povećanjem pritiska, pozitivno utiče na specifično opterećenje (npr. na ležajeve), jer se viskoznost filma za podmazivanje povećava pod uticajem visokog parcijalnog pritiska od 0 do 2000 atm. Viskoznost HFC tečnost se povećava dva puta, mineralno ulje - 30 puta, in HFD tečnosti - 60 puta. Ovo objašnjava relativno kratak vijek trajanja valjkastih ležajeva ako se podmazuju pomoću ( HFA, HFC) ulja za podmazivanje na bazi vode. Na sl. 2 i 3 pokazuju viskozitet u odnosu na pritisak za različite hidraulične tekućine.

Karakteristike viskoziteta i temperature se također mogu opisati eksponencijalnim izrazom:

η = η ο · e α P ,

Gdje je η ο dinamički viskozitet pri atmosferskom pritisku, α je koeficijent zavisnosti "viskozitet-pritisak", R-pritisak. Za HFCα \u003d 3,5 10 -4 atm -1;
za HFDα \u003d 2,2 10 -3 atm -1; za HLPα \u003d 1,7 10 -3 atm -1

3. Gustina
Gubici hidrauličnih tečnosti u cevovodima i elementima hidrauličkog sistema direktno su proporcionalni gustini tečnosti. Na primjer, gubitak tlaka je direktno proporcionalan gustoći:

Δ P= (ρ/2) ξ With 2 ,

gdje je ρ gustina tečnosti, ξ, koeficijent otpora, With je brzina protoka tečnosti, i Δ P- gubitak pritiska.
Gustina ρ je masa po jedinici zapremine tečnosti.

ρ = m/V(kg/m 3).

Gustoća hidrauličkog fluida mjeri se na temperaturi od 15 °C. Zavisi od temperature i pritiska, jer se zapremina tečnosti povećava sa povećanjem temperature. Dakle, promjena volumena tekućine kao rezultat zagrijavanja se događa prema jednačini

Δ V=Vβ temp Δ T,

Šta dovodi do promjene gustine:

Δρ = ρ β stopa Δ T.

U hidrostatskim uslovima na temperaturama od -5 do +150 °C, dovoljno je primeniti linearnu formulu na gornju jednačinu. Koeficijent toplinske ekspanzije βtemp može se primijeniti na sve vrste hidrauličnih tekućina.

Budući da je koeficijent toplinskog širenja mineralnih ulja približno 7 x 10 -4 K -1, volumen hidrauličnog fluida se povećava za 0,7% ako se njegova temperatura poveća za 10 °C. Na sl. 5 prikazana je ovisnost zapremine hidrauličnih tekućina o temperaturi.

Odnos gustine i pritiska hidrauličnih fluida takođe treba da bude uključen u hidrostatičku procenu, jer kompresibilnost fluida negativno utiče na njihove dinamičke performanse. Ovisnost gustine od pritiska može se jednostavno očitati iz odgovarajućih krivulja (slika 6).

4. Kompresibilnost
Kompresibilnost hidrauličnih tečnosti na bazi mineralnih ulja zavisi od temperature i pritiska. Pri pritiscima do 400 atm i temperaturama do 70 °C, što je granica za industrijske sisteme, kompresibilnost je relevantna za sistem. Hidraulične tečnosti koje se koriste u većini hidrauličnih sistema mogu se smatrati nestišljivim. Međutim, pri pritiscima od 1000 do 10 000 atm, mogu se uočiti promjene u kompresibilnosti medija. Kompresibilnost se izražava koeficijentom β ili modulom M(Sl. 7, M = To).

M\u003d 1 / β atm \u003d 1 / β 10 5 N m 2 = 1 / β 10 5 Pa.

Promjena volumena se može odrediti pomoću jednačine

Δ V=V · β( P max- R početak)

Gdje Δ V— promjena jačine zvuka; R max je maksimalni pritisak; R početni - početni pritisak.

5. Rastvorljivost gasova, kavitacija
Vazduh i drugi gasovi se mogu rastvoriti u tečnostima. Tečnost može apsorbovati gas dok se ne zasiti. Ovo ne bi trebalo negativno uticati na karakteristike tečnosti. Rastvorljivost gasa u tečnosti zavisi od osnovne komponente tipa gasa, pritiska i temperature. Pri pritiscima do ≈300 atm. rastvorljivost gasa je proporcionalna pritisku i sledi Henrijev zakon.

V G= V Fα V P/P o ,

Gdje VG je zapremina otopljenog gasa; V F je zapremina tečnosti, R o - atmosferski pritisak, P— pritisak tečnosti; α V je Bunsenov koeficijent raspodjele (1,013 mbar, 20 °C).
Bunsenov koeficijent u velikoj mjeri ovisi o baznom fluidu i pokazuje koliko je (%) plina otopljeno u jedinici volumena tekućine u normalnim uvjetima. Otopljeni plin se može osloboditi iz hidrauličkog fluida pri niskom statičkom pritisku (velika brzina protoka i veliko smično naprezanje) sve dok se ne postigne nova tačka zasićenja. Brzina kojom gas napušta tečnost obično premašuje brzinu kojom se gas apsorbuje u tečnost. Plin koji izlazi iz tekućine u obliku mjehurića mijenja kompresibilnost tekućine na način sličan mjehurićima zraka. Čak i pri niskim pritiscima, mala količina zraka može drastično smanjiti nestišljivost tekućine. U mobilnim sistemima sa velikom brzinom cirkulacije tečnosti, sadržaj neotopljenog vazduha može dostići vrednosti do 5%. Ovaj neotopljeni vazduh ima veoma negativan uticaj na performanse, nosivost i dinamiku sistema (vidi odeljak 6 – odzračivanje i odeljak 7 – penjenje). Budući da je kompresibilnost fluida u sistemima obično vrlo brza, mjehurići zraka mogu iznenada dostići visoke temperature (adijabatska kompresija). U ekstremnim slučajevima može se postići tačka paljenja tečnosti i mogu se javiti efekti mikrodizela.
Mjehurići plina također mogu eksplodirati u pumpama kao rezultat kompresije, što može uzrokovati oštećenje zbog erozije (ponekad se naziva kavitacija ili pseudo-kavitacija). Situacija se može pogoršati ako se u tečnosti formiraju mjehurići pare. Dakle, kavitacija nastaje kada pritisak padne ispod rastvorljivosti gasa ili ispod pritiska pare zasićenja tečnosti.
Kavitacija se uglavnom javlja u otvorenim sistemima sa konstantnom zapreminom, odnosno opasnost od ove pojave je relevantna za ulazna i izlazna kola i pumpe. Može biti uzrokovan preniskim apsolutnim tlakom zbog gubitka brzine protoka u uskim poprečnim presjecima, filterima, razdjelnicima i prigušivačima, zbog prevelike ulazne glave ili gubitka tlaka zbog prevelike viskoznosti tekućine. Kavitacija može dovesti do erozije pumpe, smanjene efikasnosti, vrhova pritiska i prekomerne buke.
Ova pojava može negativno utjecati na stabilnost regulatora prigušivanja i uzrokovati stvaranje pjene u posudama ako se smjesa tekućina-voda vrati u posudu pod atmosferskim tlakom.

6. Odzračivanje
Kada se hidraulički fluidi vraćaju nazad u rezervoare, protok fluida je sposoban da sa sobom povuče vazduh. Ovo se može dogoditi zbog curenja u cjevovodu pri suženju i djelomičnog vakuuma. Turbulencija u spremniku ili lokalizirana kavitacija ukazuje na stvaranje mjehurića zraka u tekućini.
Vazduh zarobljen na ovaj način mora izaći na površinu tečnosti, inače, ako uđe u pumpu, može oštetiti druge komponente sistema. Brzina kojom se mjehurići zraka dižu na površinu ovisi o promjeru mjehurića, viskoznosti tekućine, te gustini i kvaliteti baznog ulja. Što je kvalitet i čistoća baznog ulja veća, to brže dolazi do odzračivanja. Ulja niske viskoznosti generalno odzračivaju brže od baznih ulja visokog viskoziteta. Ovo je povezano sa brzinom kojom se mehurići dižu.

C = (ρ FL -ρ L )Χ/η,

Gdje je ρ FL je gustina tečnosti; str L— gustina vazduha; η je dinamički viskozitet; X je konstanta koja zavisi od gustine i viskoziteta tečnosti.
Sistemi moraju biti projektovani na takav način da vazduh ne ulazi u tečnost, a ako uđe, uvučeni mehurići vazduha mogu lako da izađu. Kritična područja su rezervoari, koji moraju biti opremljeni pregradama i pregradama, te konfiguracija cjevovoda i krugova. Aditivi ne mogu pozitivno uticati na svojstva oslobađanja vazduha hidrauličnih tečnosti. Surfaktanti (posebno aditivi protiv pene na bazi silikona) i zagađivači (npr. masti i inhibitori korozije) negativno utiču na karakteristike oslobađanja vazduha hidrauličkih ulja. Mineralna ulja općenito imaju bolja svojstva oslobađanja zraka od tekućina otpornih na vatru. Svojstva oslobađanja vazduha HPLD hidraulične tečnosti mogu biti uporedive sa svojstvima hidrauličnih tečnosti HLP.
Test za određivanje svojstava oslobađanja zraka opisan je u standardu DIN 51 381. Ova metoda se sastoji u guranju zraka u ulje. Broj odzračivanja je vrijeme koje je potrebno zraku (minus 0,2%) da napusti tečnost na 50°C pod datim uslovima.
Udio raspršenog zraka određuje se mjerenjem gustine mješavine ulja i zraka.

7. Pjenjenje
Površinsko pjenjenje nastaje kada je brzina odzračivanja veća od brzine kojom mjehurići zraka pucaju na površini tekućine, tj. kada se formira više mjehurića nego što se srušilo. U najgorem slučaju, ova pjena se može istisnuti iz rezervoara kroz rupe ili uneti u pumpu. Aditivi protiv pjene na bazi silikona ili bez silikona mogu ubrzati razbijanje mjehurića smanjenjem površinske napetosti pjene. Oni također negativno utiču na svojstva tečnosti za oslobađanje zraka, što može uzrokovati probleme sa kompresijom i kavitaciju. Zbog toga se aditivi protiv pjene koriste u vrlo niskim koncentracijama (≈ 0,001%). Koncentracija protiv pjene može se progresivno smanjivati ​​kao rezultat starenja i taloženja na metalnim površinama, a problemi s pjenom se često javljaju pri korištenju starih, već radnih tekućina. Naknadno dodavanje sredstva protiv pjenjenja treba obaviti samo nakon konsultacije s proizvođačem hidrauličke tekućine.
Zapremina pjene koja se formira na površini tekućine mjeri se tokom vremena (odmah, nakon 10 minuta) i na različitim temperaturama (25 i 95 °C). Surfaktanti, deterdženti ili disperzanti, kontaminanti u obliku masti, inhibitora korozije, sredstava za čišćenje, rashladnih tečnosti, nusproizvoda oksidacije, itd. mogu negativno uticati na efikasnost aditiva protiv pene.

8. Demulzifikacija
Demulzibilnost je sposobnost hidrauličkog fluida da odbija infiltriranu vodu. Voda može ući u hidraulični fluid kao rezultat curenja izmjenjivača topline, kondenzacije u rezervoarima zbog značajnih promjena u nivou ulja, loše filtracije, kontaminacije vode zbog kvara zaptivki i ekstremnih uvjeta okoline. Voda u hidrauličnoj tekućini može uzrokovati koroziju, kavitaciju u pumpama, povećano trenje i habanje, te ubrzanu degradaciju elastomera i plastike. Slobodnu vodu treba ukloniti što je prije moguće iz posuda za hidrauličnu tekućinu preko odvodnih slavina. Kontaminacija rashladnim tečnostima rastvorljivim u vodi, posebno na alatnim mašinama, može izazvati stvaranje lepljivih ostataka nakon što voda ispari. To može uzrokovati probleme u pumpama, ventilima i cilindrima. Hidraulično ulje mora brzo i potpuno odbiti vodu koja je prodrla u njega. Demulzifikacija je određena DIN 51 599, ali ova metoda nije primjenjiva na hidraulične tekućine koje sadrže deterdžent-disperzant ( DD) aditivi. Demulzifikacija je vrijeme potrebno da se smjese ulja i vode razdvoje. Parametri demulzifikacije su:
. viskoznost do 95 mm 2 /s na 40 °C; temperatura ispitivanja 54 °C;
. viskozitet > 95 mm 2 /s; temperatura 82 °C.
U hidrauličnim uljima koje sadrže DD aditivi, voda, tečni i čvrsti zagađivači se drže u suspenziji. Mogu se ukloniti odgovarajućim sistemima filtera bez upotrebe hidrauličke funkcije mašine, eliminišući negativan uticaj na hidrauličnu tečnost. Zbog toga DD hidraulične tečnosti se često koriste u hidrostatičkim mašinama i mobilnim hidrauličkim sistemima.
Za mašine sa velikom brzinom cirkulacije, koje zahtevaju stalnu dostupnost i trajno izložene vodi i drugim zagađivačima, upotreba tečnosti za hidrauličko čišćenje je primarna oblast. Hidraulične tekućine sa svojstvima demulgiranja preporučuju se za upotrebu u čeličarskim i valjaonicama, gdje su prisutne velike količine vode i niski omjeri cirkulacije omogućavaju odvajanje emulzija u rezervoaru. Svojstva demulzibilnosti u modificiranom obliku koriste se za određivanje kompatibilnosti opreme s hidrauličnim uljima. Starenje hidrauličkog fluida negativno utječe na svojstva deemulgiranja.

9. Tačka stinjavanja
Tačka tečenja je najniža temperatura na kojoj je tekućina još uvijek fluidna. Uzorak tečnosti se sistematski hladi i testira na fluidnost sa smanjenjem temperature za svakih 3 °C. Parametri kao što su tačka tečenja i granični viskozitet određuju najnižu temperaturu na kojoj je moguća normalna upotreba ulja.

10. Korozija bakra (test bakrene ploče)
Bakar i materijali koji sadrže bakar često se koriste u hidrauličkim sistemima. Materijali kao što su mesing, livena bronza ili sinterovana bronza nalaze se u ležajevima, vodilicama ili komandama, klizačima, hidrauličnim pumpama i motorima. Bakarne cijevi se koriste u rashladnim sistemima. Korozija bakra može dovesti do kvara cijelog hidrauličkog sistema, pa se radi ispitivanje korozije bakarne ploče kako bi se dobile informacije o korozivnosti baznih tekućina i aditiva za materijale koji sadrže bakar. Metoda za ispitivanje korozivnosti hidrauličnih tečnosti na bazi minerala, odnosno biorazgradivih fluida, prema obojenim metalima poznata je kao Linde metoda (selektivna metoda ispitivanja za ispitivanje korozivnosti biorazgradivih ulja prema legurama bakra) ( SAE Tehnički bilten 981 516 april 1998), također poznat kao VDMA 24570 (VDMA 24570 - Brzo biorazgradive hidraulične tekućine - Djelovanje na obojene legure 03-1999 na njemačkom).
Po standardu DIN 51 759, korozija na bakrenoj ploči može se izraziti u obliku promjene boje ili ljuštenja. Bakarna ploča za mljevenje je uronjena u tekućinu koja se testira na određeno vrijeme na određenoj temperaturi. Hidraulična ulja i ulja za podmazivanje obično se ispituju na 100 °C. Stepen korozije se ocjenjuje u bodovima:
1 - mala promjena boje;
2 - umjerena promjena boje;
3 - jaka promjena boje;
4 - korozija (potamnjenje).

11. Sadržaj vode (metoda Karla Fišera)
Ako voda u hidraulični sistem uđe djelomično fino raspršena do te mjere da prodire u uljnu fazu, tada, ovisno o gustoći hidrauličkog fluida, voda se također može osloboditi iz uljne faze. Ova mogućnost se mora uzeti u obzir prilikom uzimanja uzoraka za određivanje sadržaja vode.
Određivanje sadržaja vode u mg/kg (mase) po Karl Fišerovom metodu povezano je sa uvođenjem Karl Fišerovog rastvora direktnom ili indirektnom titracijom.

12. Otpornost na starenje (Baaderova metoda)
Ovo je pokušaj da se ponovi proučavanje uticaja vazduha, temperature i kiseonika na hidraulične fluide u laboratoriji. Učinjen je pokušaj da se umjetno ubrza starenje hidrauličkih ulja podizanjem temperature iznad nivoa praktične primjene, kao i nivoa kisika u prisustvu metalnih katalizatora. Povećanje viskoznosti i povećanje kiselinskog broja (slobodne kiseline) se bilježe i ocjenjuju. Rezultati laboratorijskih ispitivanja prevedeni su u praktične uslove. Baaderova metoda je praktičan način testiranja hidrauličkih ulja i ulja za podmazivanje na starenje.
U unaprijed određenom vremenskom periodu, uzorci se podvrgavaju starenju na unaprijed određenoj temperaturi i pritisku struje zraka uz periodično uranjanje bakrene spirale u ulje, koje djeluje kao akcelerator oksidacije. U skladu sa DIN 51 554-3 C, CL i CLP tečnosti i HL, HLP, NM hidraulična ulja su ispitana na oksidacionu stabilnost na temperaturi od 95 °C. Broj saponifikacije izražava se u mg KOH/g.

13. Otpornost na starenje (metod TOST)
Oksidacijska stabilnost ulja parnih turbina i hidrauličkih ulja koja sadrže aditive utvrđuje se u skladu sa DIN 51 587 Metod TOST se već dugi niz godina koristi za ispitivanje turbinskih ulja i hidrauličnih tekućina na bazi mineralnih ulja. Modifikovano (bez vode) suvo TOST metoda se koristi za određivanje otpornosti na oksidaciju hidrauličnih ulja na bazi estera.
Starenje ulja za podmazivanje karakterizira povećanje kiselinskog broja kada je ulje izloženo kisiku, vodi, čeliku i bakru maksimalno 1000 sati na 95°C (krivulja neutralizacije sa starenjem). Maksimalno dozvoljeno povećanje kiselinskog broja je 2 mg KOH/g nakon 1000 sati.

14. Kiseli broj (neutralizacijski broj)
Kiselinski broj hidrauličkog ulja povećava se kao rezultat starenja, pregrijavanja ili oksidacije. Nastali proizvodi starenja mogu agresivno djelovati na pumpe i ležajeve hidrauličkog sistema. Stoga je kiselinski broj važan kriterij za procjenu stanja hidrauličkog fluida.
Kiselinski broj označava količinu kiselih ili alkalnih tvari u ulju za podmazivanje. Kiseline u mineralnim uljima mogu napasti materijale hidrauličkog sistema konstrukcije. Visok sadržaj kiseline je nepoželjan, jer je moguć kao rezultat oksidacije.

15. Zaštitna antioksidaciona svojstva u odnosu na čelik/crne metale
Antioksidativna svojstva turbinskih i hidrauličkih ulja koja sadrže aditive u odnosu na čelik/crne metale određena su u skladu sa standardom DIN 51 585.
Hidraulične tekućine često sadrže dispergiranu, otopljenu ili slobodnu vodu, tako da hidraulična tekućina mora osigurati zaštitu od korozije za sve vlažne sklopove u svim radnim uvjetima, uključujući onečišćenje vodom. Ova metoda ispitivanja određuje performanse antikorozivnih aditiva u brojnim različitim radnim uslovima.
Ulje koje se ispituje se miješa s destilovanom vodom (metoda A) ili umjetnom morskom vodom (metoda B), uz neprekidno miješanje (24 h na 60 °C) čeličnom šipkom uronjenom u smjesu. Nakon što se čelična šipka ispita na koroziju. Rezultati omogućavaju procjenu antikorozivnih zaštitnih svojstava ulja u odnosu na čelične komponente u kontaktu s vodom ili vodenom parom:
stepen korozije 0 znači da nema korozije,
stepen 1 - slaba korozija;
stepen 2 - umjerena korozija;
stepen 3 - jaka korozija.

16. Svojstva protiv habanja (mašina sa četiri kugle Shell; VKA, DIN 51350)
Aparat sa četiri kugle kompanije Shell koristi se za mjerenje otpornosti na habanje i ekstremne tlakove hidrauličnih tekućina. Nosivost hidrauličnih tekućina ispituje se u uvjetima graničnog trenja. Metoda se koristi za određivanje vrijednosti ulja za podmazivanje s aditivima koji izdržavaju visoki tlak u uvjetima graničnog trenja između kliznih površina. Ulje za podmazivanje se ispituje u aparatu sa četiri kuglice, koji se sastoji od jedne (centralne) rotirajuće kugle i tri fiksne kuglice raspoređene u prsten. U stalnim ispitnim uvjetima i za određeno vrijeme, mjeri se prečnik dodirne površine na tri nepokretne kuglice ili opterećenje na rotirajućoj kugli, koje se može povećati prije zavarivanja s preostale tri kuglice.

17. Smična stabilnost ulja za podmazivanje koja sadrže polimere
Za poboljšanje viskozitetno-temperaturnih karakteristika, polimeri se uvode u ulja za podmazivanje, koji se koriste kao aditivi koji poboljšavaju indeks viskoznosti. Kako se molekularna težina povećava, ove tvari postaju sve osjetljivije na mehanička opterećenja, poput onih koja postoje između klipa i njegovog cilindra. Za procjenu smične stabilnosti ulja u različitim uvjetima, postoji nekoliko metoda ispitivanja:
DIN 5350-6, metoda četiri lopte, DIN 5354-3,FZG metoda i DIN 51 382, ​​metoda ubrizgavanja dizel goriva.
Relativno smanjenje viskoznosti zbog smicanja nakon 20-satnog testa DIN 5350-6 (određivanje smične stabilnosti ulja za podmazivanje koja sadrže polimere koji se koriste za konusne valjkaste ležajeve) primjenjuje se u skladu sa DIN 51 524-3 (2006); preporučuje se smanjenje viskoznosti za manje od 15%.

18. Mehanička ispitivanja hidrauličnih tečnosti u rotacionim lopatnim pumpama ( DIN 51 389-2)
Testiranje Vickers pumpi i pumpi drugih proizvođača omogućava realnu procjenu performansi hidrauličnih tekućina. Međutim, trenutno su u razvoju alternativne metode ispitivanja (posebno projekat DGMK 514 - mehanička ispitivanja hidrauličnih tečnosti).
Vickersova metoda se koristi za određivanje antihabajućih svojstava hidrauličnih fluida u rotacionoj pumpi pri datim temperaturama i pritiscima (140 atm, 250 h radnog fluida viskoziteta od 13 mm 2 /s pri različitim temperaturama). Na kraju testa, prstenovi i krila se ispituju na habanje ( vickers V-104OD 10 ili vickers V-105OD deset). Maksimalne dozvoljene vrijednosti habanja:< 120 мг для кольца и < 30 мг для крыльев.

19. Svojstva protiv habanja (test na zupčanici FZG stalak; DIN 534-1and-2)
Hidraulične tečnosti, posebno visokog viskoznog razreda, koriste se kao hidraulička ulja i ulja za podmazivanje u kombinovanim sistemima. Dinamička viskoznost je glavni faktor u performansama protiv habanja kod hidrodinamičkog podmazivanja. Pri malim brzinama klizanja ili visokim pritiscima u uvjetima graničnog trenja, svojstva tekućine protiv habanja zavise od upotrijebljenih aditiva (formiranje reaktivnog sloja). Ovi granični uslovi se reprodukuju kada se testiraju FZG stand.
Ova metoda se uglavnom koristi za određivanje graničnih svojstava maziva. Određeni zupčanici koji rotiraju određenom brzinom podmazuju se prskanjem ili prskanjem ulja, čija se početna temperatura bilježi. Opterećenje korijena zuba se postepeno povećava i bilježe karakteristike izgleda korijena zuba. Ovaj postupak se ponavlja do posljednje 12. faze opterećenja: Hertzian pritisak na 10. stupnju opterećenja u pojasu zahvata je 1539 N/mm2; u fazi 11 - 1.691 N / mm 2; u 12. fazi - 1.841 N / mm 2. Početna temperatura u fazi 4 je 90 °C, periferna brzina je 8,3 m/s, granica temperature nije određena; koristi se geometrija zupčanika.
Faza kvara opterećenja je određena DIN 51 524-2. Za pozitivan rezultat mora biti korak od najmanje 10. Hidraulične tekućine koje zadovoljavaju zahtjeve ISO VG 46, koji ne sadrže aditive protiv habanja, obično dostižu stepen opterećenja 6 (≈ 929 N/mm 2). Hidraulične tekućine koje sadrže cink obično dostižu najmanje 10-11. stupanj opterećenja prije kvara. Bez cinka tzv ZAF hidraulične tečnosti mogu izdržati opterećenje stepena 12 ili više.

Roman Maslov.
Na osnovu materijala iz stranih publikacija.

Kada se temperatura promijeni, dolazi do promjene veličine čvrste tvari, što se naziva toplinsko širenje. Postoje linearna i volumetrijska termička ekspanzija. Ove procese karakterišu koeficijenti termičkog (toplotnog) širenja: - prosječni koeficijent linearnog toplinskog širenja, prosječni koeficijent volumetrijskog toplinskog širenja.

DEFINICIJA

Koeficijent toplinske ekspanzije naziva se fizička veličina koja karakterizira promjenu linearnih dimenzija čvrstog tijela s promjenom njegove temperature.

Primijeniti, obično prosječni koeficijent linearne ekspanzije. Ovo je karakteristika toplinskog širenja materijala.

Ako je početna dužina tijela , - njegovo izduženje s povećanjem tjelesne temperature za , tada se određuje formulom:

Koeficijent linearne elongacije je karakteristika relativnog izduženja (), koje se javlja s povećanjem tjelesne temperature za 1K.

Kako temperatura raste, volumen čvrste tvari se povećava. Kao prvu aproksimaciju, možemo pretpostaviti da:

gdje je početni volumen tijela, promjena tjelesne temperature. Tada je koeficijent volumetrijskog širenja tijela fizička veličina koja karakterizira relativnu promjenu volumena tijela (), koja nastaje kada se tijelo zagrije za 1 K, a pritisak ostaje nepromijenjen. Matematička definicija koeficijenta zapreminskog širenja je formula:

Toplotno širenje čvrstog tijela povezano je s anharmoničnošću termičkih vibracija čestica koje čine kristalnu rešetku tijela. Kao rezultat ovih oscilacija, s povećanjem tjelesne temperature, povećava se ravnotežna udaljenost između susjednih čestica ovog tijela.

Kada se volumen tijela promijeni, mijenja se i njegova gustina:

gdje je početna gustina i gustina supstance na novoj temperaturi. Pošto se vrijednost tada izraz (4) ponekad piše kao:

Koeficijenti toplinske ekspanzije zavise od tvari. Općenito, ovisit će o temperaturi. Koeficijenti toplinske ekspanzije smatraju se neovisnim o temperaturi u malom temperaturnom rasponu.

Postoji niz tvari koje imaju negativan koeficijent toplinskog širenja. Dakle, kako temperatura raste, takvi se materijali skupljaju. To se obično događa unutar uskog temperaturnog raspona. Postoje tvari u kojima je koeficijent toplinskog širenja gotovo jednak nuli oko određenog temperaturnog raspona.

Izraz (3) se ne koristi samo za čvrste materije, već i za tečnosti. Istovremeno, smatra se da se koeficijent toplinskog širenja za kapajuće tekućine ne mijenja značajno s temperaturom. Međutim, pri proračunu sistema grijanja to se uzima u obzir.

Odnos koeficijenata toplinskog širenja

Jedinice

Osnovna mjerna jedinica za koeficijente toplinske ekspanzije u SI sistemu je:

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte

Za određivanje koeficijenta volumetrijskog širenja tekućina koriste se uređaji koji se nazivaju piknometri. To su staklene tikvice sa uskim grlom (sl. 1). Na vratu staviti oznake o kapacitetu posude (obično u ml). Kako se koriste piknometri?

Rješenje

Koeficijent ekspanzije volumena mjeri se na sljedeći način. Piknometar se puni ispitivanom tečnošću do izabrane oznake. Tikvica se zagreva, primećujući promenu nivoa supstance. Sa takvim poznatim vrijednostima kao što su: početni volumen piknometra, površina poprečnog presjeka kanala vrata tikvice, promjena temperature određuju udio početne zapremine tekućine koja je ušla u vrat piknometar pri zagrevanju za 1 K. Treba uzeti u obzir da je koeficijent ekspanzije tečnosti veći od dobijene vrednosti, jer je došlo do zagrevanja i ekspanzije i tikvica. Stoga se za izračunavanje koeficijenta ekspanzije tekućine dodaje koeficijent ekspanzije tvari tikvice (obično stakla). Mora se reći da, budući da je koeficijent volumetrijskog širenja stakla znatno manji od koeficijenta tečnosti, u približnim proračunima, koeficijent ekspanzije stakla se može zanemariti.

PRIMJER 2

Vježbajte

Koje su karakteristike ekspanzije vode? Koji je značaj ovog fenomena?

Rješenje

Voda se, za razliku od većine drugih tekućih supstanci, širi kada se zagrije samo ako je temperatura iznad 4 o C. U temperaturnom opsegu, zapremina vode opada sa porastom temperature. Slatka voda ima maksimalnu gustinu. Za morsku vodu maksimalna gustina se postiže pri. Povećanje pritiska snižava temperaturu najveće gustine vode. Budući da je gotovo 80% površine naše planete prekriveno vodom, karakteristike njenog širenja igraju značajnu ulogu u stvaranju klime na Zemlji. Sunčeve zrake, koje padaju na površinu vode, zagrijavaju je. Ako je temperatura ispod 1-2 o C, tada zagrijani slojevi vode imaju veću gustinu od hladnih i tonu. Istovremeno, njihovo mjesto zauzimaju hladniji slojevi, koji se zauzvrat zagrijavaju. Dakle, dolazi do stalne promjene slojeva vode i to dovodi do zagrijavanja vodenog stupca, sve dok se ne postigne maksimalna gustina. Daljnji porast temperature dovodi do činjenice da gornji slojevi vode smanjuju svoju gustoću i ostaju na vrhu. Dakle, ispada da se veliki sloj vode prilično brzo zagrijava do temperature maksimalne gustine, a daljnji porast temperature je spor. Kao rezultat toga, duboka vodena tijela Zemlje sa određene dubine imaju temperaturu od oko 2-3 o C. Istovremeno, temperatura gornjih slojeva vode u morima toplih zemalja može imati temperaturu od oko 30 o C i više.

Veze između tekućih čestica, kao što znamo, slabije su nego između molekula u čvrstom stanju. Stoga treba očekivati ​​da se tekućine pod istim zagrijavanjem šire u većoj mjeri nego čvrste tvari. To je zaista potvrđeno iskustvom.

Bocu sa uskim i dugim grlom napunite zatamnjenom tečnošću (vodom ili bolje kerozinom) do polovine grla i označite nivo tečnosti gumenim prstenom. Nakon toga spustite tikvicu u posudu sa vrućom vodom. Prvo će se uočiti smanjenje nivoa tečnosti u grlu tikvice, a zatim će nivo početi da raste i značajno raste iznad početnog. To je zbog činjenice da se posuda u početku zagrijava, a volumen joj se povećava. To uzrokuje pad nivoa tečnosti. Zatim se tečnost zagreva. Šireći se, ne samo da ispunjava povećani volumen posude, već i značajno premašuje ovaj volumen. Zbog toga se tečnosti šire u većoj meri od čvrstih materija.

Temperaturni koeficijenti zapreminskog širenja tečnosti su mnogo veći od koeficijenata zapreminskog širenja čvrstih tela; mogu dostići vrijednost od 10 -3 K -1 .

Tečnost se ne može zagrijati bez zagrijavanja posude u kojoj se nalazi. Stoga ne možemo uočiti pravo širenje tečnosti u posudi, jer širenje posude potcenjuje prividno povećanje zapremine tečnosti. Međutim, koeficijent zapreminskog širenja stakla i drugih čvrstih materija obično je mnogo manji od koeficijenta zapreminskog širenja tečnosti, a uz ne baš tačna merenja povećanje zapremine posude može se zanemariti.

Karakteristike ekspanzije vode

Najčešća tečnost na Zemlji - voda - ima posebna svojstva koja je razlikuju od drugih tečnosti. U vodi, kada se zagrije od 0 do 4 ° C, volumen se ne povećava, već se smanjuje. Tek od 4 °C zapremina vode počinje da se povećava kada se zagrije. Na 4°C, dakle, zapremina vode je minimalna, a gustina maksimalna*. Slika 9.4 prikazuje približan odnos između gustine vode i temperature.

* Ovi podaci se odnose na slatku (hemijski čistu) vodu. Morska voda ima najveću gustinu na oko 3°C.

Zapaženo posebno svojstvo vode ima veliki utjecaj na prirodu prijenosa topline u vodnim tijelima. Kada se voda ohladi, gustina gornjih slojeva se prvo povećava, a oni tonu prema dolje. Ali nakon što zrak dostigne temperaturu od 4°C, daljnje hlađenje već smanjuje gustoću, a na površini ostaju hladni slojevi vode. Kao rezultat toga, u dubokim rezervoarima, čak i pri vrlo niskim temperaturama zraka, voda ima temperaturu od oko 4 °C.

Volumen tečnih i čvrstih tijela raste u direktnoj proporciji s povećanjem temperature. Anomalija je pronađena u blizini vode: njena gustina je maksimalna pri 4 °C.

§ 9.4. Obračun i upotreba toplotnog širenja tela u mašinstvu

Iako se linearne dimenzije i zapremine tijela malo mijenjaju s promjenama temperature, ipak se ova promjena često mora uzeti u obzir u praksi; u isto vrijeme, ovaj fenomen ima široku primjenu u svakodnevnom životu i tehnologiji.

Obračun toplinskog širenja tijela

Promjena veličine čvrstih tijela uslijed toplinskog širenja dovodi do pojave ogromnih elastičnih sila ako druga tijela spriječe ovu promjenu veličine. Na primjer, čelična greda mosta poprečnog presjeka od 100 cm 2, kada se zagrije od -40 ° C zimi do +40 ° C ljeti, ako oslonci spriječe njeno izduživanje, stvara pritisak na nosače (naprezanje) do 1,6 10 8 Pa, tj. djeluje na oslonce silom od 1,6 10 6 N.

Date vrijednosti se mogu dobiti iz Hookeovog zakona i formule (9.2.1) za toplinsko širenje tijela.

Prema Hookeovom zakonu, mehanički stres
,gdje
- izduženje,a E- Youngov modul. Prema (9.2.1)
. Zamjenom ove vrijednosti relativne elongacije u formulu Hookeovog zakona, dobijamo

(9.4.1)

Čelik ima Youngov modul E= 2,1 10 11 Pa, temperaturni koeficijent linearnog širenja α 1 \u003d 9 10 -6 K -1. Zamjenom ovih podataka u izraz (9.4.1) dobijamo da je za Δ t = 80 °S mehaničko naprezanje σ = 1,6 10 8 Pa.

Jer S \u003d 10 -2 m 2, zatim sila F = σS = 1,6 10 6 N.

Da bismo demonstrirali sile koje se pojavljuju kada se metalna šipka ohladi, može se izvesti sljedeći eksperiment. Zagrevamo gvozdenu šipku sa rupom na kraju u koju je umetnuta šipka od livenog gvožđa (slika 9.5). Zatim ovu šipku ubacujemo u masivno metalno postolje sa žljebovima. Kada se šipka ohladi, ona se skuplja i u njoj nastaju tako velike elastične sile da se šipka od lijevanog željeza lomi.

Toplinsko širenje tijela mora se uzeti u obzir pri projektovanju mnogih konstrukcija. Moraju se poduzeti mjere kako bi se osiguralo da se tijela mogu slobodno širiti ili skupljati kako se temperatura mijenja.

Nemoguće je, na primjer, čvrsto povući telegrafske žice, kao i žice dalekovoda (elektrovoda) između nosača. Ljeti je opuštanje žica primjetno veće nego zimi.

Metalni parovodi, kao i cijevi za grijanje vode, moraju biti opremljeni krivinama (kompenzatorima) u obliku petlji (slika 9.6).

Unutrašnja naprezanja mogu nastati prilikom neravnomjernog zagrijavanja homogenog tijela. Na primjer, staklena boca ili čaša od debelog stakla mogu puknuti ako se u njih ulije topla voda. Prije svega se zagrijavaju unutrašnji dijelovi posude u kontaktu sa toplom vodom. Oni se šire i vrše veliki pritisak na vanjske hladne dijelove. Stoga može doći do uništenja plovila. Tanka čaša ne puca kada se u nju ulije topla voda, jer se njeni unutrašnji i vanjski dijelovi jednako brzo zagrijavaju.

Kvarc staklo ima vrlo nizak temperaturni koeficijent linearne ekspanzije. Takvo staklo podnosi, bez pucanja, neravnomjerno zagrijavanje ili hlađenje. Na primjer, u usijanu staklenu tikvicu od kvarcnog stakla može se uliti hladna voda, dok obična staklena boca tokom takvog eksperimenta pukne.

Različite materijale koji su podvrgnuti periodičnom zagrevanju i hlađenju treba spajati samo kada se njihove dimenzije menjaju na isti način sa promenama temperature. Ovo je posebno važno za velike veličine proizvoda. Tako se, na primjer, željezo i beton šire na isti način kada se zagrijavaju. Zbog toga je armirani beton postao široko rasprostranjen - stvrdnuta betonska otopina ulivena u čeličnu rešetku - armaturu (slika 9.7). Ako bi se željezo i beton različito širili, onda bi uslijed dnevnih i godišnjih temperaturnih kolebanja, armiranobetonska konstrukcija ubrzo propala.

Još nekoliko primjera. Metalni provodnici zalemljeni u staklene cijevi električnih lampi i radio lampi izrađeni su od legure (gvožđe i nikl) koja ima isti koeficijent ekspanzije kao staklo, inače bi staklo pucalo pri zagrijavanju metala. Emajl kojim je posuđe premazano i metal od kojeg je ta posuda napravljena moraju imati isti koeficijent linearne ekspanzije. U suprotnom, emajl će puknuti kada se posuđe prekriveno njime zagrije i ohladi.

Tečnost može razviti i značajne sile ako se zagreva u zatvorenoj posudi koja ne dozvoljava tečnosti da se širi. Ove sile mogu dovesti do uništenja posuda koje sadrže tekućinu. Stoga se ovo svojstvo tečnosti takođe mora uzeti u obzir. Na primjer, cijevni sistemi za grijanje vode uvijek imaju ekspanzionu posudu pričvršćenu na vrh sistema i odzračivanje u atmosferu. Kada se voda zagrije u cijevnom sistemu, mali dio vode prelazi u ekspanzioni spremnik, čime se eliminira napregnuto stanje vode i cijevi. Iz istog razloga, energetski transformator hlađen uljem ima ekspanzioni spremnik ulja na vrhu. Kada temperatura raste, nivo ulja u rezervoaru raste, kada se ulje ohladi, smanjuje se.

Toplotna ekspanzija tečnosti je da ona može promijeniti svoj volumen s promjenom temperature. Ovu nekretninu karakterizira temperaturni koeficijent volumetrijskog širenja , predstavlja relativnu promenu zapremine tečnosti sa promenom temperature po jedinici (za 1 o C) i pri konstantnom pritisku:

Po analogiji sa svojstvom stišljivosti tekućine možemo pisati

ili kroz gustinu

Promjena volumena s promjenom temperature nastaje zbog promjene gustine.

Za većinu tečnosti koeficijent  t opada sa porastom pritiska. Koeficijent  t sa smanjenjem gustine naftnih derivata od 920 prije 700 kg/m 3 povećava od 0,0006 prije 0,0008 ; za hidraulične tečnosti  t obično se uzima nezavisno od temperature. Za ove tečnosti, povećanje pritiska sa atmosferskog na 60 MPa dovodi do rasta  t za otprilike 10 – 20 % . Istovremeno, što je viša temperatura radnog fluida, to je veći porast  t . Za vodu sa porastom pritiska na temperaturama do 50 o C  t raste i na temperaturama iznad 50 o C smanjuje se.

Otapanje gasova

Otapanje gasova - sposobnost tečnosti da apsorbuje (otapa) gasove u dodiru sa njom. Sve tečnosti u određenoj meri apsorbuju i rastvaraju gasove. Ova nekretnina je karakterizirana koeficijent rastvorljivosti k R .

E Ako je tečnost u zatvorenoj posudi u kontaktu sa gasom pod pritiskom P 1 , tada će se gas početi rastvarati u tečnosti. Nakon nekog vremena

tečnost će biti zasićena gasom i pritisak u posudi će se promeniti. Koeficijent rastvorljivosti povezuje promenu pritiska u posudi sa zapreminom rastvorenog gasa i zapreminom tečnosti sledećim odnosom

gdje V G je zapremina rastvorenog gasa u normalnim uslovima,

V i je zapremina tečnosti,

P 1 i P 2 su početni i krajnji pritisak gasa.

Faktor rastvorljivosti zavisi od vrste tečnosti, gasa i temperature.

Na temperaturi 20 ºS i atmosferskog pritiska, voda sadrži oko 1,6% rastvoreni vazduh po zapremini ( k str = 0,016 ). Sa porastom temperature od 0 prije 30 ºS smanjuje se koeficijent rastvorljivosti vazduha u vodi. Koeficijent rastvorljivosti vazduha u uljima na temperaturi 20 ºS je o 0,08 – 0,1 . Kiseonik ima veću rastvorljivost od vazduha, tako da je sadržaj kiseonika u vazduhu rastvorenom u tečnosti približno 50% viši od atmosferskog. Kada se pritisak smanji, gas se oslobađa iz tečnosti. Proces evolucije gasa teče intenzivnije od rastvaranja.

Kipuće

Vrenje je sposobnost tečnosti da pređe u gasovito stanje. Inače, ovo svojstvo tečnosti se naziva isparavanje .

Tečnost se može dovesti do ključanja podizanjem temperature na vrednosti veće od tačke ključanja pri datom pritisku, ili snižavanjem pritiska na vrednosti manje od pritiska pare zasićenja. str np tečnosti na datoj temperaturi. Formiranje mjehurića kada se tlak smanji na tlak zasićene pare naziva se hladno ključanje.

Tečnost iz koje je uklonjen gas otopljen u njoj naziva se degazirana. U takvoj tečnosti, ključanje se ne dešava čak ni na temperaturi višoj od tačke ključanja pri datom pritisku.