Tekućine s visokim koeficijentom ekspanzije. Koeficijent toplinske ekspanzije

Početna > Zakon

Pri rješavanju praktičnih problema ne uzima se u obzir vlačna čvrstoća tekućine. Temperaturno širenje kapajućih tekućina karakterizira koeficijent toplinskog širenja β t, izražavajući relativno povećanje volumena tekućine s porastom temperature za 1 stupanj, tj.:

Gdje W - početni volumen tekućine; Δ W - promjena ovog volumena s povećanjem temperature za iznos ΔT . Koeficijent toplinskog širenja kapajućih tekućina, kao što se može vidjeti iz tablice. 5 je beznačajno.

Tablica 5

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

Dakle, za vodu kada se temperatura mijenja od 10 do 20 ° C i pri pritisku od 10 5 Pa β t=0,00015 1/deg. Uz značajne temperaturne razlike, utjecaj temperature na specifičnu težinu u nekim slučajevima mora se uzeti u obzir. Gustoća i specifična težina kapajućih tekućina, kao što slijedi iz prethodnih razmatranja, malo se mijenjaju s promjenama tlaka i temperature. Možemo približno pretpostaviti da gustoća ne ovisi o tlaku i da je određena samo temperaturom. Iz izraza (9) i (1) može se pronaći približan odnos za izračunavanje promjene gustoće kapljujućih tekućina s temperaturom:

Vrijednosti koeficijenta u (10) nalaze se iz tablica unutar zadanog temperaturnog raspona (vidi, na primjer, tablicu 5). Sposobnost tekućina da mijenjaju gustoću (specifičnu težinu) s promjenama temperature naširoko se koristi za stvaranje prirodne cirkulacije u kotlovima, sustavima grijanja, za uklanjanje produkata izgaranja itd. B tablica. 6 prikazuje gustoću vode pri različitim temperaturama.

Tablica 6

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

Za razliku od kapajućih tekućina, plinove karakterizira značajna kompresibilnost i visoke vrijednosti koeficijenta toplinskog širenja. Ovisnost gustoće plinova o tlaku i temperaturi utvrđuje se jednadžbom stanja. Najjednostavnija svojstva posjeduje plin razrijeđen do te mjere da se interakcija između njegovih molekula može zanemariti - tzv. savršeni ( idealan) plin. Za savršene plinove vrijedi Clapeyronova jednadžba, koja omogućuje određivanje gustoće plina pri poznatom tlaku i temperaturi:

(11)

Gdje R - apsolutni pritisak; R - specifična plinska konstanta, različita za različite plinove, ali neovisna o temperaturi i tlaku [za zrak 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 mogu koristiti jednadžbe stanja savršenih plinova u širokom rasponu. U inženjerskim proračunima, gustoća plina obično rezultira normalan fizički uvjeti (t=0°; p=101 325 Pa) ili do standard uvjetima (t=20° S; r= 101325 Pa). Gustoća zraka na R=287 J/(kg∙K) u standardnim uvjetima prema formuli (11) bit će 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 grafikoni ovisnosti gustoće zraka o temperaturi određene ovom formulom pri različitim tlakovima.

Riža. 1 Ovisnost gustoće zraka o barometarskom tlaku i temperaturi

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

(13)

(14)

Gdje k=s p /s ν je adijabatska konstanta plina; c p je toplinski kapacitet plina pri konstantnom tlaku; s ν - isto, uz konstantan volumen. Kompresibilnost plinova ovisi o prirodi procesa promjene 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 tisuća puta više od stišljivosti vode. Budući da volumen plina u velikoj mjeri ovisi o temperaturi i tlaku, zaključci dobiveni proučavanjem kapajućih tekućina mogu se proširiti na plinove samo ako su, u granicama fenomena koji se razmatra, promjene tlaka i temperature neznatne. Pri kretanju velikim brzinama mogu nastati značajne razlike u tlaku, koje uzrokuju značajnu promjenu gustoće plinova. Omjer između brzine tekućine i brzine zvuka u njoj omogućuje prosuđivanje potrebe da se uzme u obzir kompresibilnost u svakom konkretnom slučaju. U praksi se plin može uzeti nestlačiv pri brzinama ne većim od 100 m/s. Viskoznost tekućina. Viskoznost je svojstvo tekućina otpornosti na smicanje. Sve stvarne tekućine imaju određenu viskoznost, koja se očituje u obliku unutarnjeg trenja tijekom relativnog kretanja susjednih čestica tekućine. 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 karakterizira stupanj fluidnosti tekućine ili pokretljivost njezinih čestica. Neka tekućina teče duž ravne stijenke u slojevima paralelnim s njom (slika 2), kao što se opaža u laminarnom gibanju. Zbog usporavajućeg učinka stijenke, slojevi tekućine će se kretati različitim brzinama, čije vrijednosti rastu s udaljenosti od zida.

Riža. 2 Raspodjela brzine za strujanje tekućine duž čvrstog zida

Razmislite o dva sloja tekućine koji se kreću na udaljenosti Δu jedni od drugih. Sloj A krećući se brzinom u , sloj NA - brzinom u + Δu . Zbog razlike u brzinama u jedinici vremena, sloj NA pomaci 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). Tangencijalno naprezanje koje se pojavljuje tijekom ovog kretanja (sila trenja po jedinici površine) označit će se sa . Zatim, slično fenomenu smicanja u čvrstim tvarima, dobivamo sljedeći odnos između naprezanja 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 apsolutna viskoznost. Postojanje relacije (18) prvi je ukazao Newton, pa se stoga naziva Newtonov zakon trenja. U međunarodnom sustavu jedinica, dinamička viskoznost se izražava u H s / m 2 ili Pa s. U tehničkom sustavu jedinica dinamička viskoznost ima dimenziju kgf∙s∙m -2 . U CGS sustavu, poise (P) se uzima kao jedinica dinamičke viskoznosti u spomen na francuskog liječnika Poiseuillea, koji je proučavao zakone kretanja krvi u žilama ljudskog tijela, jednak 1 g∙cm -1 ∙ s -1; 1 Pa s \u003d 0,102 kgf s / m 2 \u003d 10 P. Viskoznost tekućina jako ovisi o temperaturi; u tom slučaju viskoznost kapajućih tekućina opada s porastom temperature, a viskoznost plinova raste. To se objašnjava činjenicom da je priroda viskoznosti kapajućih tekućina i plinova različita. U plinovima, prosječna brzina (intenzitet) toplinskog gibanja molekula raste s porastom temperature, a samim tim raste i viskoznost. U kapanju tekućina, molekule se ne mogu kretati, kao u plinu, u svim smjerovima, mogu samo oscilirati oko svog prosječnog položaja. S povećanjem temperature povećavaju se prosječne brzine vibracijskih kretanja molekula, zbog čega se veze koje ih drže lakše prevladavaju, a tekućina dobiva veću pokretljivost (smanjuje se njezina viskoznost). Dakle, za čistu slatku vodu, ovisnost dinamičke viskoznosti o temperaturi određena je Poiseuilleovom formulom:

(19)

Gdje µ - apsolutna (dinamička) viskoznost tekućine u P; t - temperatura u ° C. S porastom temperature od 0 do 100 ° C, viskoznost vode smanjuje se gotovo 7 puta (vidi tablicu 6). Pri temperaturi od 20°C dinamička viskoznost vode je 0,001 Pa∙s=0,01 P. Voda spada u najmanje viskozne tekućine. Samo nekoliko tekućina koje se praktično koriste (npr. eter i alkohol) imaju nešto niži viskozitet od vode. Tekući ugljični dioksid ima najmanju viskoznost (50 puta manju od viskoznosti vode). Sva tekuća ulja imaju mnogo veću viskoznost 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.

Tablica 7

Kinematička i dinamička viskoznost kapajućih tekućina (pri t=20°C)
Tekućina		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 etilni alkohol

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

Što daje pri t \u003d 15 ° C \u003d 1,82 ∙ 10 -6 kgf s / m 2 (~ 1,82 ∙ 10 -5 Pa s). Dinamička viskoznost ostalih plinova približno je istog reda veličine. Uz koncept apsolutne ili dinamičke viskoznosti u hidraulici, koristi se pojam kinematička viskoznost; što je omjer apsolutne viskoznosti i gustoće tekućine:

(21)

Ova viskoznost se zove kinematičke, budući da u njegovoj dimenziji nema jedinica sile. Zapravo, zamjenom dimenzije µ i ρ , dobivamo [ v]=[L 2 /T]. U međunarodnom sustavu jedinica kinematička viskoznost se mjeri u m 2 / s; jedinica za mjerenje kinematičke viskoznosti u CGS sustavu 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 \u003d 1 ∙ 10 4 St = 1 ∙ 10 6 cCt. U tablici. 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.

Riža. 3 Ovisnost kinematičke viskoznosti vode i ulja o temperaturi

Kinematska viskoznost kapanja tekućine pri tlakovima koji se u praksi susreću u većini slučajeva (do 200 atm) vrlo malo ovisi o tlaku, a ta se promjena zanemaruje u konvencionalnim hidrauličkim proračunima. Kinematička viskoznost plinova ovisi i o temperaturi i o tlaku, raste s porastom temperature i opada s povećanjem tlaka (tablica 8). Kinematička viskoznost zraka za normalne uvjete (temperatura 20°C, tlak ~ 1at) v= µ/ ρ \u003d 1,57 ∙ 10 -5 m 2 / s, tj. oko 15 puta više nego za vodu iste temperature. To se objašnjava činjenicom da nazivnik izraza za kinematičku viskoznost (21) uključuje gustoću, koja je mnogo manja za plinove nego za kapajuće tekućine. Za izračunavanje kinematičke viskoznosti zraka pri različitim temperaturama i tlakovima možete koristiti grafikon (slika 4).

Tablica 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. srpnja 1992. br. 3266-1) i "O visokom i poslijediplomskom stručnom obrazovanju" (od 22. kolovoza 1996. br. 125-FZ); Glavni obrazovni program visokog stručnog obrazovanja Smjer izobrazbe 270800 Građevinarstvo (1) Glavni obrazovni program 1.1. Svrha (misija) BEP-a je pripremiti konkurentnog stručnjaka koji je spreman za rad u područjima vezanim uz pružanje građenja, kao i sposoban za daljnje profesionalno samousavršavanje i kreativni razvoj.

15.07.2012
Fizička svojstva hidrauličkih ulja i njihov utjecaj na rad

1. Viskoznost, viskozno-temperaturne karakteristike
Viskoznost je najvažniji kriterij za ocjenu nosivosti hidrauličkog ulja. Viskoznost se razlikuje po dinamičkim i kinematičkim pokazateljima.
Industrijska ulja za podmazivanje i hidraulička ulja razvrstavaju se prema ISO razreda viskoznosti na temelju njihove kinematičke viskoznosti, koja se zauzvrat opisuje kao omjer dinamičke viskoznosti i gustoće. Referentna temperatura je 40 °C. Službena 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 viskoznosti ISO, DIN 51519 za tekuća industrijska maziva opisuje 18 stupnjeva (klasa) viskoznosti od 2 do 1500 mm 2 / s pri temperaturi od 40 ° C. Svaki razred je određen prosječnom viskoznošću na 40 °C i s tolerancijom od ± 10% od ove vrijednosti. Ovisnost o viskoznosti i temperaturi od velike je važnosti za hidraulička ulja. Viskoznost naglo raste s padom temperature i opada s porastom temperature. Praktično, prag viskoznosti tekućine (dopuštena početna viskoznost, cca. 800-2000 mm 2 /s) neophodan je za korištenje u raznim vrstama crpki. Najmanja dopuštena viskoznost pri visokim temperaturama određena je početkom faze graničnog trenja. Minimalna viskoznost ne smije biti niža od 7-10 mm 2 /s kako bi se izbjeglo neprihvatljivo trošenje crpki i motora. Krivulje na grafovima viskoznost-temperatura opisuju ovisnost viskoznosti hidrauličkih tekućina o temperaturi. U linijskim uvjetima V-T- krivulje su hiperbolične. Matematičkom transformacijom, ove V - T- krivulje se mogu predstaviti kao ravne linije. Ove linije omogućuju točno određivanje viskoznosti u širokom temperaturnom rasponu. Indeks viskoznosti (VI) je kriterij V - T- ovisnosti, i V-T- krivulja - gradijent na grafikonu. Što je veći VI hidrauličke tekućine, to je manja promjena viskoznosti s temperaturom, tj. V - T- zavoj. Hidraulička ulja na bazi mineralnih ulja obično imaju prirodni IV od 95-100. Sintetička hidraulička ulja na bazi estera imaju granični VI od 140-180, a poliglikoli imaju prirodni VI od 180-200 (slika 1.)

Indeks viskoznosti također se može poboljšati aditivima (polimernim aditivima koji moraju biti otporni na smicanje) koji se nazivaju VI poboljšivači ili aditivi viskoznosti. Hidraulička ulja s visokim VI osiguravaju lako pokretanje, smanjuju gubitak performansi pri niskim temperaturama okoline i poboljšavaju brtvljenje i zaštitu od habanja pri visokim radnim temperaturama. Ulja visokog indeksa povećavaju učinkovitost sustava i produžuju vijek trajanja dijelova i komponenti koje se troše (što je viskoznost pri radnim temperaturama, to je bolji omjer volumena).

2. Ovisnost viskoznosti o tlaku
Nosivost filma za podmazivanje određena je ovisnošću o tlaku viskoznosti maziva. Dinamička viskoznost tekućih medija raste s povećanjem tlaka. Sljedeća je metoda za kontrolu dinamičke viskoznosti u odnosu na tlak pri konstantnoj temperaturi.
Ovisnost viskoznosti o tlaku, odnosno povećanje viskoznosti s povećanjem tlaka, ima pozitivan učinak na specifično opterećenje (npr. na ležajeve), jer se viskoznost mazivog filma povećava pod utjecajem visokog parcijalnog tlaka od 0 do 2000 atm. Viskoznost HFC tekućina se povećava dva puta, mineralno ulje - 30 puta, in HFD tekućine - 60 puta. To objašnjava relativno kratak vijek trajanja valjkastih ležajeva ako se podmazuju pomoću ( HFA, HFC) ulja za podmazivanje na bazi vode. Na sl. 2 i 3 prikazuju viskoznost u odnosu na tlak za različite hidraulične tekućine.

Karakteristike viskoznosti i temperature također se mogu opisati eksponencijalnim izrazom:

η = η ο · e α P ,

Gdje je η ο dinamička viskoznost pri atmosferskom tlaku, α je koeficijent ovisnosti "viskozitet-tlak", 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. Gustoća
Gubici hidrauličkih tekućina u cjevovodima i elementima hidrauličkog sustava izravno su proporcionalni gustoći tekućine. Na primjer, gubitak tlaka izravno je proporcionalan gustoći:

Δ P= (ρ/2) ξ s 2 ,

Gdje je ρ gustoća tekućine, ξ, je koeficijent otpora, s je brzina protoka tekućine, a Δ P- gubitak pritiska.
Gustoća ρ je masa po jedinici volumena tekućine.

ρ = m/V(kg / m 3).

Gustoća hidrauličke tekućine mjeri se pri temperaturi od 15 °C. Ovisi o temperaturi i tlaku, budući da se volumen tekućine povećava s povećanjem temperature. Dakle, promjena volumena tekućine kao rezultat zagrijavanja događa se prema jednadžbi

Δ V=Vβ temp Δ T,

Što dovodi do promjene gustoće:

Δρ = ρ β stopa Δ T.

U hidrostatskim uvjetima na temperaturama od -5 do +150 °C, dovoljno je primijeniti linearnu formulu na gornju jednadžbu. 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 hidrauličke tekućine povećava se za 0,7% ako se njezina temperatura povisi za 10 °C. Na sl. Slika 5 prikazuje ovisnost volumena hidrauličkih tekućina o temperaturi.

Odnos gustoće i tlaka hidrauličnih tekućina također bi trebao biti uključen u hidrostatičku ocjenu, budući da kompresibilnost tekućina negativno utječe na njihove dinamičke performanse. Ovisnost gustoće o tlaku može se jednostavno očitati iz odgovarajućih krivulja (slika 6).

4. Stišljivost
Kompresibilnost hidrauličnih tekućina na bazi mineralnih ulja ovisi o temperaturi i tlaku. Pri tlakovima do 400 atm i temperaturama do 70 °C, što je granica za industrijske sustave, kompresibilnost je relevantna za sustav. Hidraulične tekućine koje se koriste u većini hidrauličnih sustava mogu se smatrati nestlačivim. Međutim, pri tlakovima od 1000 do 10 000 atm mogu se uočiti promjene u stišljivosti medija. Kompresibilnost se izražava koeficijentom β ili modulom M(slika 7, M = Do).

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

Promjena volumena može se odrediti pomoću jednadžbe

Δ V=V · β( P max- R početak)

Gdje Δ V— promjena volumena; R max je maksimalni tlak; R početni - početni tlak.

5. Topljivost plinova, kavitacija
Zrak i drugi plinovi mogu se otopiti u tekućinama. Tekućina može apsorbirati plin dok se ne zasiti. To ne bi trebalo negativno utjecati na karakteristike tekućine. Topljivost plina u tekućini ovisi o osnovnoj komponenti vrste plina, tlaku i temperaturi. Pri tlakovima do ≈300 atm. topljivost plina je proporcionalna tlaku i slijedi Henryjev zakon.

V G= V Fα V P/P o ,

Gdje VG je volumen otopljenog plina; V F je volumen tekućine, R o - atmosferski tlak, P— tlak tekućine; α V je Bunsenov koeficijent raspodjele (1,013 mbar, 20 °C).
Bunsenov koeficijent jako ovisi o osnovnoj tekućini i pokazuje koliko je (%) plina otopljeno u jedinici volumena tekućine u normalnim uvjetima. Otopljeni plin može se ispustiti iz hidrauličke tekućine pri niskom statičkom tlaku (veliki protok i veliko smično naprezanje) sve dok se ne postigne nova točka zasićenja. Brzina kojom plin napušta tekućinu obično premašuje brzinu kojom se plin apsorbira u tekućinu. Plin koji izlazi iz tekućine u obliku mjehurića mijenja kompresibilnost tekućine na način sličan mjehurićima zraka. Čak i pri niskim tlakovima, mala količina zraka može drastično smanjiti nestišljivost tekućine. U mobilnim sustavima s visokim brzinama cirkulacije tekućine sadržaj neotopljenog zraka može doseći vrijednosti do 5%. Ovaj neotopljeni zrak ima vrlo negativan učinak na performanse, nosivost i dinamiku sustava (vidi odjeljak 6 - odzračivanje i odjeljak 7 - pjenjenje). Budući da je kompresibilnost tekućina u sustavima obično vrlo brza, mjehurići zraka mogu iznenada doseći visoke temperature (adijabatska kompresija). U ekstremnim slučajevima može se postići plamenište tekućine i mogu se pojaviti efekti mikrodizela.
Mjehurići plina također mogu eksplodirati u pumpama kao rezultat kompresije, što može uzrokovati oštećenja zbog erozije (ponekad se nazivaju kavitacija ili pseudo-kavitacija). Situacija se može pogoršati ako se u tekućini stvore mjehurići pare. Dakle, do kavitacije dolazi kada tlak padne ispod topljivosti plina ili ispod tlaka zasićene pare tekućine.
Kavitacija se uglavnom javlja u otvorenim sustavima s konstantnim volumenom, odnosno opasnost od ove pojave je relevantna za ulazne i izlazne krugove i crpke. Može biti uzrokovan preniskim apsolutnim tlakom zbog gubitaka brzine protoka u uskim presjecima, filterima, razdjelnicima i prigušivačima, zbog prevelike ulazne glave ili gubitaka tlaka zbog prekomjerne viskoznosti tekućine. Kavitacija može dovesti do erozije pumpe, smanjene učinkovitosti, vrhova tlaka i pretjerane buke.
Ova pojava može negativno utjecati na stabilnost regulatora prigušivanja i uzrokovati pjenjenje u posudama ako se smjesa tekućina-voda vrati u spremnik pod atmosferskim tlakom.

6. Odzračivanje
Kada se hidraulične tekućine vrate natrag u rezervoare, protok tekućine može sa sobom povući zrak. To se može dogoditi zbog curenja u cjevovodu kod suženja i djelomičnog vakuuma. Turbulencija u spremniku ili lokalizirana kavitacija ukazuje na stvaranje mjehurića zraka u tekućini.
Ovako zarobljen zrak mora izaći na površinu tekućine, inače, ako uđe u pumpu, može oštetiti ostale komponente sustava. Brzina kojom se mjehurići zraka dižu na površinu ovisi o promjeru mjehurića, viskoznosti tekućine te gustoći i kvaliteti baznog ulja. Što je kvalitetnija i čistoća baznog ulja veća, brže dolazi do odzračivanja. Ulja niske viskoznosti općenito odzračivaju brže od baznih ulja visoke viskoznosti. To je povezano sa brzinom kojom se mjehurići dižu.

C = (ρ FL -ρ L )Χ/η,

Gdje je ρ FL je gustoća tekućine; str L— gustoća zraka; η je dinamička viskoznost; X je konstanta ovisno o gustoći i viskoznosti tekućine.
Sustavi moraju biti projektirani na takav način da zrak ne ulazi u tekućinu, a ako uđe, uvučeni mjehurići zraka mogu lako izaći. Kritična područja su spremnici, koji moraju biti opremljeni pregradama i pregradama, te konfiguracija cjevovoda i krugova. Aditivi ne mogu pozitivno utjecati na svojstva oslobađanja zraka hidrauličnih tekućina. Surfaktanti (osobito aditivi protiv pjene na bazi silikona) i onečišćenja (npr. masti i inhibitori korozije) negativno utječu na karakteristike oslobađanja zraka hidrauličkih ulja. Mineralna ulja općenito imaju bolja svojstva oslobađanja zraka od tekućina otpornih na vatru. Svojstva oslobađanja zraka HPLD hidraulička tekućina može biti usporediva sa svojstvima hidrauličkih tekućina HLP.
Ispitivanje za određivanje svojstava ispuštanja zraka opisano je u standardu DIN 51 381. Ova metoda se sastoji u tjeranju zraka u ulje. Broj odzračivanja je vrijeme potrebno zraku (minus 0,2%) da napusti tekućinu na 50°C pod datim uvjetima.
Udio raspršenog zraka određuje se mjerenjem gustoće smjese ulja i zraka.

7. Pjenjenje
Površinsko pjenjenje nastaje kada je brzina odzračivanja veća od brzine kojom mjehurići zraka pucaju na površini tekućine, tj. kada nastane više mjehurića nego što se srušilo. U najgorem slučaju, ova pjena se može istisnuti iz spremnika kroz rupe ili unijeti u pumpu. Aditivi protiv pjene na bazi silikona ili bez silikona mogu ubrzati razgradnju mjehurića smanjenjem površinske napetosti pjene. Oni također negativno utječu na svojstva tekućine za oslobađanje zraka, što može uzrokovati probleme sa kompresijom i kavitaciju. Stoga se aditivi protiv pjene koriste u vrlo niskim koncentracijama (≈ 0,001%). Koncentracije sredstva protiv pjene mogu se postupno smanjivati ​​kao rezultat starenja i taloženja na metalnim površinama, a problemi s pjenom često se javljaju kod starijih tekućina koje su već djelovale. Naknadno dodavanje sredstva protiv pjene smije se obaviti samo nakon konzultacije s proizvođačem hidrauličke tekućine.
Volumen pjene nastale na površini tekućine mjeri se tijekom vremena (odmah, nakon 10 minuta) i na različitim temperaturama (25 i 95 °C). Surfaktanti, deterdženti ili disperzanti, onečišćenja u obliku masti, inhibitora korozije, sredstava za čišćenje, rashladnih tekućina, nusproizvoda oksidacije, itd. mogu negativno utjecati na učinkovitost aditiva protiv pjene.

8. Demulzifikacija
Demulzibilnost je sposobnost hidrauličke tekućine da odbija infiltriranu vodu. Voda može ući u hidrauličku tekućinu kao rezultat propuštanja izmjenjivača topline, kondenzacije u rezervoarima zbog značajnih promjena u razini ulja, loše filtracije, onečišćenja vode zbog kvara brtve i ekstremnih uvjeta okoline. Voda u hidrauličnoj tekućini može uzrokovati koroziju, kavitaciju u pumpama, povećano trenje i trošenje te ubrzanu razgradnju elastomera i plastike. Slobodnu vodu treba ukloniti što je prije moguće iz spremnika hidrauličke tekućine preko slavina za odvod vode. Onečišćenje rashladnim tekućinama topljivim u vodi, osobito na alatnim strojevima, može uzrokovati stvaranje ljepljivih ostataka nakon što voda ispari. To može uzrokovati probleme u pumpama, ventilima i cilindrima. Hidraulička tekućina mora brzo i potpuno odbiti vodu koja je prodrla u njega. Demulzifikacija se određuje prema 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 odvoje. Parametri demulzifikacije su:
. viskoznost do 95 mm 2 /s pri 40 °C; ispitna temperatura 54 °C;
. viskoznost > 95 mm 2 /s; temperatura 82 °C.
U hidrauličkim uljima koja sadrže dd aditivi, voda, tekući i čvrsti zagađivači se drže u suspenziji. Mogu se ukloniti odgovarajućim sustavima filtera bez korištenja hidrauličke funkcije stroja, čime se eliminira negativan učinak na hidrauličku tekućinu. Tako dd hidraulične tekućine se često koriste u hidrostatskim alatnim strojevima i mobilnim hidrauličkim sustavima.
Za strojeve s velikom brzinom cirkulacije, koji zahtijevaju stalnu dostupnost i trajno izloženi riziku od vode i drugih onečišćenja, korištenje hidrauličnih tekućina je primarno područje. Hidraulične tekućine s demulgirajućim svojstvima preporučuju se za korištenje u čeličarskim i valjaonicama, gdje su prisutne velike količine vode i niski omjeri cirkulacije omogućuju odvajanje emulzija u spremniku. Svojstva demulzibilnosti u modificiranom obliku koriste se za određivanje kompatibilnosti opreme s hidrauličkim uljima. Starenje hidrauličke tekućine negativno utječe na svojstva deemulgiranja.

9. Točka tečenja
Točka tečenja je najniža temperatura na kojoj je tekućina još tekućina. Uzorak tekućine se sustavno hladi i ispituje na fluidnost uz smanjenje temperature za svaka 3 °C. Parametri kao što su točka tečenja i granična viskoznost 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 sustavima. Materijali kao što su mesing, lijevana bronca ili sinterirana bronca nalaze se u ležajevima, vodilicama ili kontrolama, klizačima, hidrauličkim pumpama i motorima. Bakrene cijevi se koriste u sustavima hlađenja. Korozija bakra može dovesti do kvara cijelog hidrauličkog sustava, pa se radi ispitivanje korozije bakrene ploče radi dobivanja informacija o korozivnosti baznih tekućina i aditiva za materijale koji sadrže bakar. Metoda za ispitivanje korozivnosti hidrauličnih tekućina na bazi minerala, odnosno biorazgradivih tekućina, prema obojenim metalima poznata je kao Lindeova metoda (selektivna metoda ispitivanja za ispitivanje korozivnosti biorazgradivih ulja prema legurama bakra) ( SAE Tehnički bilten 981 516 travanj 1998.), također poznat kao VDMA 24570 (VDMA 24570 - Brzo biorazgradive hidraulične tekućine - Djelovanje na obojene legure 03-1999 na njemačkom).
Prema standardu DIN 51 759, korozija na bakrenoj ploči može se izraziti u obliku promjene boje ili ljuštenja. Bakrena ploča za mljevenje je uronjena u tekućinu koja se ispituje na određeno vrijeme na određenoj temperaturi. Hidraulička ulja i ulja za podmazivanje obično se ispituju na 100 °C. Stupanj korozije se ocjenjuje u bodovima:
1 - mala promjena boje;
2 - umjerena promjena boje;
3 - jaka promjena boje;
4 - korozija (zamračenje).

11. Sadržaj vode (metoda Karla Fischera)
Ako voda ulazi u hidraulički sustav djelomično fino raspršena do te mjere da prodire u uljnu fazu, tada se, ovisno o gustoći hidrauličke tekućine, može ispustiti i voda iz uljne faze. Ovu mogućnost potrebno je uzeti u obzir prilikom uzimanja uzoraka za određivanje sadržaja vode.
Određivanje sadržaja vode u mg/kg (mase) metodom Karl Fischer povezano je s uvođenjem otopine Karl Fischer u izravnu ili neizravnu titraciju.

12. Otpornost na starenje (Baaderova metoda)
Ovo je pokušaj repliciranja studija o utjecaju zraka, temperature i kisika na hidraulične tekućine u laboratoriju. Pokušano je umjetno ubrzati starenje hidrauličkih ulja podizanjem temperature iznad razine praktične primjene, kao i razine kisika u prisutnosti metalnih katalizatora. Povećanje viskoznosti i povećanje kiselinskog broja (slobodne kiseline) se bilježe i ocjenjuju. Rezultati laboratorijskih ispitivanja prevedeni su u praktične uvjete. Baaderova metoda je praktičan način testiranja hidrauličkih ulja i ulja za podmazivanje na starenje.
Tijekom unaprijed određenog vremenskog razdoblja, uzorci se podvrgavaju starenju na unaprijed određenoj temperaturi i tlaku struje zraka uz povremeno uranjanje bakrenog svitka u ulje, koje djeluje kao akcelerator oksidacije. U skladu s DIN 51 554-3 C, CL i CLP tekućine i HL, HLP, NM hidraulička ulja se ispituju na oksidacijsku stabilnost pri 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 prema DIN 51 587 Metoda TOST se već dugi niz godina koristi za ispitivanje turbinskih ulja i hidrauličnih tekućina na bazi mineralnih ulja. Modificirano (bez vode) suho TOST metoda se koristi za određivanje otpornosti na oksidaciju hidrauličkih ulja na bazi estera.
Starenje ulja za podmazivanje karakterizira povećanje kiselinskog broja kada je ulje izloženo kisiku, vodi, čeliku i bakru najviše 1000 sati na 95°C (krivulja neutralizacije sa starenjem). Maksimalno dopušteno povećanje kiselinskog broja je 2 mg KOH / g nakon 1000 sati.

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

15. Zaštitna antioksidacijska 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.
Hidrauličke tekućine često sadrže dispergiranu, otopljenu ili slobodnu vodu, tako da hidraulička tekućina mora osigurati zaštitu od korozije za sve mokre sklopove u svim radnim uvjetima, uključujući onečišćenje vodom. Ova metoda ispitivanja određuje učinkovitost antikorozivnih aditiva u nizu različitih radnih uvjeta.
Ulje koje se ispituje miješa se s destiliranom 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 omogućuju procjenu antikorozivnih zaštitnih svojstava ulja u odnosu na čelične komponente u kontaktu s vodom ili vodenom parom:
stupanj korozije 0 znači da nema korozije,
stupanj 1 - mala korozija;
stupanj 2 - umjerena korozija;
stupanj 3 - teška korozija.

16. Svojstva protiv habanja (stroj s četiri kugle Ljuska; VKA, DIN 51350)
Aparat s četiri kugle tvrtke Ljuska koristi se za mjerenje svojstava hidrauličnih tekućina protiv habanja i ekstremnog tlaka. Nosivost hidrauličnih tekućina ispituje se u graničnim uvjetima trenja. Metoda se koristi za određivanje vrijednosti ulja za podmazivanje s aditivima koji podnose visoki tlak u uvjetima graničnog trenja između kliznih površina. Ulje za podmazivanje ispituje se u aparatu s četiri kugle, koji se sastoji od jedne (središnje) rotirajuće kuglice i tri fiksne kuglice raspoređene u prsten. U stalnim ispitnim uvjetima i za određeno vrijeme, mjeri se promjer 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, te 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 uslijed smicanja nakon 20-satnog ispitivanja DIN 5350-6 (određivanje smične stabilnosti mazivih ulja koja sadrže polimere koji se koriste za konusne valjkaste ležajeve) primjenjuje se u skladu s DIN 51 524-3 (2006.); preporuča se smanjenje posmične viskoznosti za manje od 15%.

18. Mehaničko ispitivanje hidrauličnih tekućina u rotacijskim krilnim pumpama ( DIN 51 389-2)
Ispitivanje Vickers pumpi i crpki drugih proizvođača omogućuje realnu procjenu učinkovitosti hidrauličnih tekućina. Međutim, trenutno su u razvoju alternativne metode ispitivanja (osobito projekt DGMK 514 - mehanička ispitivanja hidrauličnih tekućina).
Vickersova metoda se koristi za određivanje antihabajućih svojstava hidrauličnih tekućina u rotacionoj pumpi pri zadanim temperaturama i tlakovima (140 atm, 250 h radnog fluida viskoznosti od 13 mm 2 /s pri različitim temperaturama). Na kraju ispitivanja, prstenovi i krila se ispituju na istrošenost ( vickers V-104S 10 ili vickers V-105S deset). Maksimalne dopuštene vrijednosti habanja:< 120 мг для кольца и < 30 мг для крыльев.

19. Svojstva protiv habanja (test na zupčaniku FZG stalak; DIN 534-1and-2)
Hidraulične tekućine, posebno visoke viskoznosti, koriste se kao hidraulička ulja i ulja za podmazivanje u kombiniranim sustavima. Dinamička viskoznost je glavni čimbenik učinka protiv habanja u hidrodinamičkom podmazivanju. Pri malim brzinama klizanja ili visokim tlakovima u uvjetima graničnog trenja, svojstva tekućine protiv habanja ovise o korištenim aditivima (formiranje reaktivnog sloja). Ovi granični uvjeti se reproduciraju kada se testiraju FZG stajati.
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 postepeno se povećava i bilježe karakteristike izgleda korijena zuba. Ovaj postupak se ponavlja do posljednje 12. faze opterećenja: Hertzian tlak u 10. stupnju opterećenja u zahvatnom pojasu je 1539 N/mm2; u fazi 11 - 1,691 N / mm 2; u 12. fazi - 1.841 N / mm 2. Početna temperatura u stupnju 4 je 90 °C, periferna brzina je 8,3 m/s, granica temperature nije određena; koristi se geometrija zupčanika.
Faza kvara opterećenja određena je DIN 51 524-2 (prikaz, stručni). 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 stupanj opterećenja 6 (≈ 929 N/mm 2). Hidraulične tekućine koje sadrže cink obično dosežu barem 10-11. stupanj opterećenja prije kvara. Bez cinka tzv ZAF hidraulične tekućine mogu podnijeti opterećenje stupnja 12 ili više.

Roman Maslov.
Temeljeno na materijalima iz stranih publikacija.

Promjenom temperature mijenjaju se i dimenzije čvrstog tijela, što se naziva toplinsko širenje. Postoje linearna i volumetrijska toplinska ekspanzija. Ove procese karakteriziraju koeficijenti toplinskog (toplinskog) širenja: - prosječni koeficijent linearnog toplinskog širenja, prosječni koeficijent volumetrijskog toplinskog širenja.

DEFINICIJA

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

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

Ako je početna duljina tijela , - njegovo produljenje s porastom tjelesne temperature za , tada se određuje formulom:

Koeficijent linearne elongacije je karakteristika relativnog produljenja (), koji se javlja s porastom tjelesne temperature za 1K.

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

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

Toplinsko širenje čvrstog tijela povezano je s anharmoničnošću toplinskih vibracija čestica koje čine kristalnu rešetku tijela. Kao rezultat tih oscilacija, s porastom tjelesne temperature, povećava se ravnotežna udaljenost između susjednih čestica ovog tijela.

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

gdje je početna gustoća i gustoća tvari na novoj temperaturi. Budući da se vrijednost tada izraz (4) ponekad piše kao:

Koeficijenti toplinske ekspanzije ovise o 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 krute tvari, već i za tekućine. Istodobno se smatra da se koeficijent toplinskog širenja za kapajuće tekućine ne mijenja značajno s temperaturom. Međutim, pri izračunu sustava grijanja to se uzima u obzir.

Odnos koeficijenata toplinskog širenja

Jedinice

Osnovna mjerna jedinica za koeficijente toplinskog širenja u SI sustavu je:

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

Vježbajte

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

Odluka

Koeficijent volumne ekspanzije mjeri se na sljedeći način. Piknometar se puni ispitivanom tekućinom do odabrane oznake. Tikvica se zagrijava, primjećujući promjenu razine tvari. S takvim poznatim vrijednostima kao što su: početni volumen piknometra, površina poprečnog presjeka kanala vrata tikvice, promjena temperature određuje udio početnog volumena tekućine koja je ušla u vrat tikvice piknometar pri zagrijavanju za 1 K. Treba uzeti u obzir da je koeficijent ekspanzije tekućine veći od dobivene vrijednosti, jer je došlo do zagrijavanja i širenja 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 tekućine, u približnim proračunima koeficijent ekspanzije stakla se može zanemariti.

PRIMJER 2

Vježbajte

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

Odluka

Voda se, za razliku od većine drugih tekućih tvari, pri zagrijavanju širi samo ako je temperatura iznad 4 o C. U temperaturnom području volumen vode opada s porastom temperature. Svježa voda ima najveću gustoću. Za morsku vodu maksimalna gustoća se postiže pri. Povećanje tlaka snižava temperaturu najveće gustoće vode. Budući da je gotovo 80% površine našeg planeta prekriveno vodom, značajke 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 gustoću 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 gustoća. 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 gustoće, a daljnji porast temperature je spor. Kao rezultat toga, duboka vodena tijela Zemlje s 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 krutini. Stoga treba očekivati ​​da se tekućine pod istim zagrijavanjem šire u većoj mjeri od krutih tvari. To je doista potvrđeno iskustvom.

Tikvicu s uskim i dugim grlom napunite tekućinom u boji (voda ili bolje petrolej) do polovice grla i gumenim prstenom označite razinu tekućine. Nakon toga spustite tikvicu u posudu s vrućom vodom. Najprije će se vidjeti smanjenje razine tekućine u grlu tikvice, a zatim će razina početi rasti i znatno porasti iznad početne. To je zbog činjenice da se posuda u početku zagrijava i njezin volumen se povećava. To uzrokuje pad razine tekućine. Zatim se tekućina zagrijava. Šireći se, ne samo da ispunjava povećani volumen posude, već i značajno premašuje ovaj volumen. Stoga se tekućine šire u većoj mjeri od krutih tvari.

Temperaturni koeficijenti volumnog širenja tekućina mnogo su veći od koeficijenata volumnog širenja čvrstih tijela; mogu doseći vrijednost od 10 -3 K -1 .

Tekućina se ne može zagrijati bez zagrijavanja posude u kojoj se nalazi. Stoga ne možemo promatrati pravo širenje tekućine u posudi, budući da širenje posude podcjenjuje prividno povećanje volumena tekućine. Međutim, koeficijent volumnog širenja stakla i drugih čvrstih tvari obično je mnogo manji od koeficijenta volumnog širenja tekućine, a ako mjerenja nisu baš točna, povećanje volumena posude može se zanemariti.

Značajke ekspanzije vode

Najčešća tekućina na Zemlji - voda - ima posebna svojstva koja je razlikuju od ostalih tekućina. U vodi, kada se zagrije od 0 do 4 ° C, volumen se ne povećava, već se smanjuje. Tek od 4 °C volumen vode se zagrijavanjem počinje povećavati. Pri 4°C, dakle, volumen vode je minimalan, a gustoća maksimalna*. Slika 9.4 prikazuje približan odnos između gustoće vode i temperature.

* Ovi podaci se odnose na svježu (kemijski čistu) vodu. Morska voda ima najveću gustoću na oko 3°C.

Zapaženo posebno svojstvo vode ima veliki utjecaj na prirodu prijenosa topline u vodnim tijelima. Kada se voda ohladi, najprije se povećava gustoća gornjih slojeva, a oni tonu prema dolje. Ali nakon što zrak dosegne 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 tekućih i čvrstih tijela raste izravno proporcionalno porastu temperature. Anomalija je pronađena u blizini vode: njezina je gustoća najveća pri 4 °C.

§ 9.4. Obračun i korištenje toplinskog širenja tijela u strojarstvu

Iako se linearne dimenzije i volumeni tijela malo mijenjaju s promjenama temperature, ipak se ta promjena često mora uzeti u obzir u praksi; ujedno se ovaj fenomen naširoko koristi u svakodnevnom životu i tehnologiji.

Obračun toplinskog širenja tijela

Promjena veličine čvrstih tijela uslijed toplinskog širenja dovodi do pojave golemih elastičnih sila ako druga tijela spriječe tu promjenu veličine. Na primjer, čelična mostna greda s poprečnim presjekom od 100 cm 2, kada se zagrije od -40 °C zimi do +40 °C ljeti, ako oslonci spriječe njezino produljenje, stvara pritisak na nosače (naprezanje) do 1,6 10 8 Pa, tj. djeluje na oslonce silom od 1,6 10 6 N.

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

Prema Hookeovom zakonu, mehaničko naprezanje
,gdje
- produljenje,a E- Youngov modul. Prema (9.2.1)
. Zamjenom ove vrijednosti relativne elongacije u formulu Hookeova zakona, dobivamo

(9.4.1)

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

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

Za demonstriranje sila koje se pojavljuju kada se metalna šipka ohladi, može se napraviti sljedeći pokus. Zagrijemo željeznu šipku s rupom na kraju u koju je umetnuta šipka od lijevanog željeza (slika 9.5). Zatim ovu šipku ubacujemo u masivni metalni stalak s utorima. Kad se šipka ohladi, ona se skuplja i u njoj nastaju tako velike elastične sile da se šipka od lijevanog željeza lomi.

Pri projektiranju mnogih konstrukcija mora se uzeti u obzir toplinsko širenje tijela. 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 progib žica osjetno veći nego zimi.

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

Unutarnja naprezanja mogu nastati tijekom neravnomjernog zagrijavanja homogenog tijela. Na primjer, staklena boca ili čaša od debelog stakla mogu puknuti ako se u njih ulije vruća voda. Prije svega zagrijavaju se unutarnji dijelovi posude u dodiru s toplom vodom. Šire se i vrše veliki pritisak na vanjske hladne dijelove. Stoga može doći do uništenja plovila. Tanka čaša ne puca kada se u nju ulije vruća voda, jer se njezini unutarnji i vanjski dijelovi jednako brzo zagrijavaju.

Kvarcno staklo ima vrlo nizak temperaturni koeficijent linearne ekspanzije. Takvo staklo podnosi, bez pucanja, neravnomjerno zagrijavanje ili hlađenje. Na primjer, u užarenu staklenu tikvicu od kvarcnog stakla može se uliti hladna voda, dok obična staklena tikvica tijekom takvog pokusa pukne.

Različite materijale koji su podvrgnuti periodičnom zagrijavanju i hlađenju treba spajati samo kada se njihove dimenzije mijenjaju na isti način s promjenama temperature. To je osobito važno za velike veličine proizvoda. Tako se, na primjer, željezo i beton pri zagrijavanju šire na isti način. Zato se raširio armirani beton - očvrsnuta betonska otopina izlivena u čeličnu rešetku - armatura (slika 9.7). Ako bi se željezo i beton različito širili, tada bi uslijed dnevnih i godišnjih temperaturnih kolebanja armiranobetonska konstrukcija ubrzo propala.

Još nekoliko primjera. Metalni vodiči zalemljeni u staklene cijevi električnih svjetiljki i radio svjetiljki izrađeni su od legure (željezo i nikal) 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 izrađena moraju imati isti koeficijent linearne ekspanzije. Inače će caklina puknuti kada se posuđe prekriveno njome zagrije i ohladi.

Značajne sile može razviti i tekućina ako se zagrijava u zatvorenoj posudi koja ne dopušta da se tekućina širi. Ove sile mogu dovesti do uništenja posuda koje sadrže tekućinu. Stoga se ovo svojstvo tekućine također mora uzeti u obzir. Na primjer, cijevni sustavi za grijanje vode uvijek su opremljeni ekspanzijskim spremnikom pričvršćenim na vrh sustava i odzračivanjem u atmosferu. Kada se voda zagrijava u cijevnom sustavu, mali dio vode prelazi u ekspanzijski spremnik, čime se eliminira napregnuto stanje vode i cijevi. Iz istog razloga, energetski transformator hlađen uljem ima na vrhu spremnik za ekspanziju ulja. Kada temperatura raste, razina ulja u spremniku raste, kada se ulje ohladi, smanjuje se.

Toplinsko širenje tekućine je da može mijenjati svoj volumen s promjenom temperature. Ovo svojstvo karakterizira temperaturni koeficijent volumetrijske ekspanzije , predstavlja relativnu promjenu volumena tekućine s promjenom temperature po jedinici (za 1 o C) i pri konstantnom tlaku:

Po analogiji sa svojstvom stišljivosti tekućine možemo napisati

ili kroz gustoću

Promjena volumena s promjenom temperature nastaje zbog promjene gustoće.

Za većinu tekućina koeficijent  t opada s povećanjem pritiska. Koeficijent  t sa smanjenjem gustoće naftnih derivata iz 920 prije 700 kg/m 3 povećava se od 0,0006 prije 0,0008 ; za hidraulične tekućine  t obično se uzima neovisno o temperaturi. Za ove tekućine povećanje tlaka s atmosferskog na 60 MPa dovodi do rasta  t Za otprilike 10 – 20 % . Istodobno, što je temperatura radnog fluida viša, to je povećanje veće  t . Za vodu s porastom tlaka na temperaturama do 50 oko C  t raste, a na temperaturama iznad 50 oko C smanjuje se.

Otapanje plinova

Otapanje plinova - sposobnost tekućine da apsorbira (otapa) plinove u dodiru s njom. Sve tekućine u određenoj mjeri apsorbiraju i otapaju plinove. Ovo svojstvo je karakterizirano koeficijent topljivosti k R .

E Ako je tekućina u zatvorenoj posudi u dodiru s plinom pod tlakom P 1 , tada će se plin početi otapati u tekućini. Nakon nekog vremena

tekućina će biti zasićena plinom i tlak u posudi će se promijeniti. Koeficijent topljivosti povezuje promjenu tlaka u posudi s volumenom otopljenog plina i volumenom tekućine sljedećim odnosom

gdje V G je volumen otopljenog plina u normalnim uvjetima,

V dobro je volumen tekućine,

P 1 i P 2 su početni i konačni tlak plina.

Faktor topljivosti ovisi o vrsti tekućine, plina i temperaturi.

Na temperaturi 20 ºS i atmosferskog tlaka, voda sadrži oko 1,6% otopljeni zrak po volumenu ( k str = 0,016 ). S povećanjem temperature od 0 prije 30 ºS smanjuje se koeficijent topljivosti zraka u vodi. Koeficijent topljivosti zraka u uljima na temperaturi 20 ºS je o 0,08 – 0,1 . Kisik ima veću topljivost od zraka, pa je udio kisika u zraku otopljenom u tekućini približno 50% viši od atmosferskog. Kada se tlak smanji, iz tekućine se oslobađa plin. Proces evolucije plina teče intenzivnije nego otapanje.

Ključanje

Vrenje je sposobnost tekućine da prijeđe u plinovito stanje. Inače se ovo svojstvo tekućina naziva isparavanje .

Tekućina se može dovesti do ključanja podizanjem temperature na vrijednosti veće od vrelišta pri danom tlaku ili snižavanjem tlaka na vrijednosti manje od tlaka zasićene pare. str np tekućine na zadanoj temperaturi. Stvaranje mjehurića kada se tlak smanji na tlak zasićene pare naziva se hladno vrenje.

Tekućina iz koje je uklonjen plin otopljen u njoj naziva se degasirana. U takvoj tekućini vrenje se ne događa ni na temperaturi višoj od vrelišta pri danom tlaku.