Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 2
lượt xem 12
download
Những thuộc tính của chất Lỏng 2.1. Mở đầu Tất cả các chất lỏng thực có những đặc trưng hoặc những thuộc tính nhất định đo được, như mật độ, độ nhớt, độ nén, mao dẫn, sức căng mặt ngoài, vv... Một vài thuộc tính chất lỏng trên thực tế là sự kết hợp của những thuộc tính khác. Ví dụ độ nhớt động 20 học liên quan đến độ nhớt động lực và mật độ. Mặc dù tất cả chất lỏng bao gồm những hạt riêng biệt, chúng ta sẽ cho rằng chúng có những thuộc tính của môi trường liên tục....
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 2
- (ML -1T-1) = hÖ sè nhít ®éng lùc = h»ng sè Von Karman = cao ®é mùc níc (L) Nh÷ng biÕn tøc thêi (vËn tèc, ¸p suÊt) ®îc thÓ hiÖn b»ng nh÷ng ch÷ hoa (V). Nh÷ng biÕn trung b×nh thêi gian ®îc tr×nh bµy b»ng nh÷ng ch÷ thêng (v). Nh÷ng ®¬n vÞ theo HÖ thèng §¬n vÞ Quèc tÕ (®¬n vÞ SI), ®· ®îc chÊp nhËn bëi Tæ chøc Tiªu chuÈn hãa Quèc tÕ (IOS). Lùc ®îc biÓu thÞ b»ng Newton. Khèi lîng ®îc biÓu thÞ b»ng kil«gam. ChiÒu dµi ®îc biÓu thÞ b»ng mÐt. Thêi gian ®îc biÓu thÞ b»ng gi©y. Ch¬ng 2. Nh÷ng thuéc tÝnh cña chÊt Láng 2.1. Më ®Çu T Êt c¶ c¸c chÊt láng thùc cã nh÷ng ®Æc trng hoÆc nh÷ng thuéc tÝnh nhÊt ®Þnh ®o ®îc, nh mËt ®é, ®é nhít, ®é nÐn, mao dÉn, søc c¨ng mÆt ngoµi, vv... Mét vµi thuéc tÝnh chÊt láng trªn thùc tÕ lµ sù kÕt hîp cña nh÷ng thuéc tÝnh kh¸c. VÝ dô ®é nhít ®éng 20
- häc liªn quan ®Õn ®é nhít ®éng lùc vµ mËt ®é. MÆc dï tÊt c¶ chÊt láng bao gåm nh÷ng h¹t riªng biÖt, chóng ta sÏ cho r»ng chóng cã nh÷ng thuéc tÝnh cña m«i trêng liªn tôc. Nh÷ng thuéc tÝnh tæng hîp cña mét m«i trêng liªn tôc phô thuéc vµo cÊu tróc ph©n tö cña chÊt láng vµ vµo b¶n chÊt cña lùc gi÷a c¸c ph©n tö. 2.2. MËt ®é MËt ®é cña mét vËt thÓ chÊt lµ sè ®o vÒ møc ®é tËp trung cña khèi lîng vµ ®îc biÓu thÞ díi d¹ng khèi lîng trªn thÓ tÝch ®¬n vÞ. Nã ®îc x¸c ®Þnh b»ng tû sè cña khèi lîng mét chÊt chøa bªn trong mét vïng cô thÓ chia cho thÓ tÝch cña vïng nµy. Vïng cÇn ph¶i võa ®ñ nhá l¹i ph¶i ®ñ lín ®Ó kh«ng cã sù biÕn ®æi ®¸ng kÓ nµo cña mËt ®é trong nh÷ng vïng nhá bªn trong nã. Nh vËy vïng ®o ®¹c kh«ng nªn qu¸ lín. Tuy nhiªn, nÕu vïng ®o ®¹c qu¸ nhá, nã cã thÓ chøa mét sè lîng ph©n tö kh¸c nhau ë nh÷ng thêi ®iÓm kh¸c nhau. §iÒu nµy ®îc minh häa trong h×nh 2.1. Khi thÓ tÝch V chøa khèi lîng chÊt láng M gi¶m kÝch thíc ®Õn l©n cËn ®iÓm P nµo ®ã, tû sè M/V ®¹t ®Õn mét gi¸ trÞ giíi h¹n . NÕu sau ®ã thÓ tÝch V tiÕp tôc gi¶m, th× nh÷ng hiÖu øng ph©n tö xuÊt hiÖn vµ thÓ tÝch cã thÓ chøa mét khèi lîng tæng céng M kh¸c cña c¸c ph©n tö ë nh÷ng thêi ®iÓm kh¸c nhau. Nh vËy trong h×nh 2.1: lim(M / V ) . (2.2.1) V V ' MËt ®é cña níc ë nhiÖt ®é 4oC kho¶ng 1000 kg/m3. NhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cã hiÖu øng nhá lªn mËt ®é chÊt láng (xem thªm B¶ng 2.1) Träng lîng riªng lµ träng lùc t¸c ®éng lªn khèi lîng chøa trong mét thÓ tÝch ®¬n vÞ cña chÊt láng: = g. (2. 2.2) Nãi mét c¸ch chÆt chÏ, träng lîng riªng kh«ng ph¶i lµ mét thuéc tÝnh thËt sù cña chÊt láng, v× nã phô thuéc vµo gia tèc träng trêng ®Þa ph¬ng. 21
- H×nh 2.1. MËt ®é chÊt láng gÇn mét ®iÓm 2.3. TÝnh nhít Mét chÊt láng cã thÓ ®Þnh nghÜa nh mét chÊt liªn tôc biÕn d¹ng khi bÞ nh÷ng øng suÊt trît t¸c ®éng; chÊt láng kh«ng cã kh¶ n¨ng duy tr× nh÷ng øng suÊt trît khi ®øng yªn. §iÒu nµy nãi lªn r»ng nh÷ng øng suÊt trît chØ cã thÓ tån t¹i khi mét chÊt láng chuyÓn ®éng. Tuy nhiªn ®Ó nh÷ng øng suÊt trît nµy tån t¹i, chÊt láng ph¶i nhít, tÝnh nhít lµ mét ®Æc trng ®îc thÓ hiÖn bëi tÊt c¶ c¸c chÊt láng thùc. Mét chÊt láng lý tëng cã thÓ ®Þnh nghÜa lµ kh«ng nhít, hoÆc kh«ng dÝnh; nh vËy kh«ng cã øng suÊt trît nµo tån t¹i ®èi víi chÊt láng nµy khi nã chuyÓn ®éng. TÝnh nhít cña chÊt láng lµ mét sè ®o cña søc c¶n cña nã ®èi víi dßng ch¶y. §©y lµ thuéc tÝnh cña tÊt c¶ c¸c chÊt láng thùc, kh¸c víi chÊt láng lý tëng hoÆc chÊt láng kh«ng nhít. Søc c¶n trît ®îc ®o b»ng lùc trît tæng céng, øng suÊt trît ®¬n vÞ lµ lùc trît trªn diÖn tÝch ®¬n vÞ. Newton cho r»ng øng suÊt trît trong mét chÊt láng tû lÖ víi møc ®é thay ®æi vËn tèc theo kh«ng gian theo híng th¼ng gãc víi dßng ch¶y. Møc ®é biÕn thiªn vËn tèc theo kh«ng gian nµy ®îc gäi lµ gra®ien vËn tèc, còng lµ møc ®é biÕn d¹ng gãc theo thêi gian. Trong h×nh 2.2, vËn tèc U thay ®æi theo kho¶ng c¸ch z kÓ tõ biªn ë vÞ trÝ A, vµ ®êng cong nèi nh÷ng ®iÓm mót cña nh÷ng vect¬ vËn tèc gäi lµ ph©n bè vËn tèc hay profil vËn tèc. Gra®ien vËn tèc t¹i gi¸ trÞ z bÊt kú ®îc x¸c ®Þnh nh sau: dU U lim( ) (2.3.1) dz z z 0 vµ thÓ hiÖn tÝnh thuËn nghÞch cña ®é dèc cña profil vËn tèc nh trong h×nh 2.2. §èi víi mét chÊt láng rÊt nhít ë nh÷ng vËn tèc nhá, chÊt láng ch¶y trong nh÷ng líp song song, vµ ®èi víi lo¹i dßng ch¶y nµy øng suÊt trît t¹i bÊt kú gi¸ trÞ z nµo lµ: 22
- dU (2.3.2) dz trong ®ã lµ mét hÖ sè tû lÖ, gäi lµ ®é nhít ®éng lùc. §é nhít ®éng lùc lµ tû sè cña øng suÊt trît víi gra®ien vËn tèc, vµ nh vËy thø nguyªn cña nã lµ lùc nh©n víi thêi gian trªn diÖn tÝch ®¬n vÞ, hoÆc khèi lîng trªn chiÒu dµi ®¬n vÞ vµ thêi gian. H×nh 2.2. Profil vËn tèc vµ gra®ien vËn tèc T rong hÖ ®¬n vÞ SI, øng suÊt trît ®îc biÓu thÞ lµ N/m2 vµ gradient vËn tèc lµ m/s/m, vµ nh vËy nh÷ng ®¬n vÞ SI cho ®é nhít ®éng lùc lµ: [] = N/m2/(m/s/m) = Ns/m2 = kg/m/s. §é nhít ®éng häc ®îc ®Þnh nghÜa lµ tû lÖ cña ®é nhít ®éng lùc víi mËt ®é: = / (2.3.3) 2 vµ cã thø nguyªn diÖn tÝch trªn ®¬n vÞ thêi gian (m /s). §é nhít ®éng häc cña chÊt láng chñ yÕu lµ hµm sè cña nhiÖt ®é v× ®©y lµ trêng hîp cho c¶ ®é nhít ®éng lùc lÉn mËt ®é. Nh vËy c¶ gi¸ trÞ ®é nhít ®éng lùc vµ ®é nhít ®éng häc cã thÓ cho ë d¹ng ®å thÞ hoÆc d¹ng b¶ng nh mét hµm sè cña nhiÖt ®é (xem b¶ng 2.1). Mét biÓu thøc ®¬n gi¶n cho b»ng: = (40 x 10-6)/(20 + Te) (2.3.4) trong ®ã: Te = nhiÖt ®é (0C). Mét chÊt láng cã ®é nhít ®éng lùc phô thuéc vµo nhiÖt ®é (vµ h¬i yÕu vµo ¸p suÊt) vµ ®éc lËp víi møc ®é trît ®îc gäi lµ chÊt láng Newton. Tr¹ng th¸i nhít cña nh÷ng chÊt láng nµy ®îc m« t¶ b»ng ph¬ng tr×nh (2.3.2). §å thÞ liªn hÖ øng suÊt trît vµ møc ®é trît (gra®ien vËn tèc) lµ mét ®êng th¼ng ®i qua gèc to¹ ®é, nh trong h×nh 2.3. Nh÷ng chÊt láng cã tr¹ng th¸i nhít kh«ng ®îc m« t¶ b»ng ph¬ng tr×nh (2.3.2) gäi lµ chÊt láng phi Newton. Nhãm phi Newton gåm cã ba nhãm nhá: 23
- H×nh 2.3. Tr¹ng th¸i nhít cña chÊt láng 1. nh÷ng chÊt láng mµ øng suÊt trît chØ phô thuéc vµo møc ®é trît, vµ mÆc dï quan hÖ gi÷a chóng kh«ng tuyÕn tÝnh, nã ®éc lËp víi thêi gian mµ chÊt láng bÞ trît; 2. nh÷ng chÊt láng mµ víi nã øng suÊt trît kh«ng chØ phô thuéc vµo møc ®é trît, mµ cßn vµo thêi gian chÊt láng bÞ trît hoÆc vµo lÞch sö tríc ®©y cña nã; vµ 3. nh÷ng chÊt láng nhít - ®µn håi thÓ hiÖn nh÷ng ®Æc trng cña c¶ nh÷ng chÊt r¾n ®µn håi lÉn nh÷ng chÊt láng nhít. 2.4. TÝnh chÞu nÐn hoÆc ®µn håi Nh÷ng chÊt láng cã thÓ bÞ biÕn d¹ng bëi trît do nhít hoÆc bÞ nÐn bëi mét ¸p suÊt bªn ngoµi t¸c ®éng lªn thÓ tÝch chÊt láng. TÊt c¶ c¸c chÊt láng ®Òu chÞu nÐn bëi ph¬ng ph¸p nµy, tuy nhiªn c¸c chÊt láng ë møc ®é nhá h¬n c¸c chÊt khÝ. §é nÐn ®îc x¸c ®Þnh díi d¹ng m«®un ®µn håi tæng hîp trung b×nh: P2 P P 1 K (2.4.1) (V2 V1 ) / V1 V / V trong ®ã V2 vµ V1 lµ nh÷ng thÓ tÝch cña chÊt ë ¸p suÊt P 2 vµ P1, t¬ng øng. M«®un tæng hîp thay ®æi theo ¸p suÊt ®èi víi chÊt khÝ, vµ theo c¶ ¸p suÊt lÉn nhiÖt ®é (nhng h¬i nhÑ) ®èi víi chÊt láng. Nh vËy, modul ®µn håi tæng hîp thùc tÕ lµ gi¸ trÞ giíi h¹n cña ph¬ng tr×nh (2.4.1) khi nh÷ng thay ®æi ¸p suÊt vµ thÓ tÝch trë thµnh v« cïng nhá. dP K (2.4.2) dV / V NÕu xÐt mét khèi lîng ®¬n vÞ cña chÊt, dP K (2.4.3) dv / v vµ dP K (2.4.4) d / 24
- v× v = h»ng sè, nªn d(v) = 0 hoÆc dv/v = - d/. Nh÷ng mÉu sè lµ phi thø nguyªn, nªn K cã thø nguyªn cña ¸p suÊt, hoÆc lùc trªn diÖn tÝch ®¬n vÞ. Gi¸ trÞ K cña níc ë 200C kho¶ng 2,18 x 109 N/m2 ë ¸p suÊt khÝ quyÓn, vµ vÒ c¬ b¶n t¨ng tuyÕn tÝnh tíi kho¶ng 2,86 x 109 N/m2 ë ¸p suÊt 1000 atm. Nh vËy trong ph¹m vi nµy ë 200C, K = (2,18 x 109 + 6,7P) N/m2 (2.4.5) 2 trong ®ã P lµ ¸p suÊt ®o b»ng N/m . §èi víi ®a sè c¸c vÊn ®Ò thùc hµnh, níc cã thÓ xem nh mét chÊt láng kh«ng nÐn ®îc. Nh÷ng hiÖn tîng níc va xuÊt hiÖn trong èng dÉn kÝn lµ mét ngo¹i lÖ ®èi víi ®iÒu nµy. Khi chÊt láng ®ét ngét dõng l¹i (b»ng viÖc ®ãng van), mét sù t¨ng ¸p suÊt lµm cho thÓ tÝch gi¶m. 2.5. Søc c¨ng mÆt ngoµi Nh÷ng giät chÊt láng rÊt nhá trong mét chÊt khÝ vµ nh÷ng bät khÝ rÊt nhá trong mét chÊt láng cã d¹ng h×nh cÇu khi kh«ng cã nh÷ng ngo¹i lùc nh lùc trît do nhít. NÕu mét c¸i th×a ®îc ®Æt díi mét vßi níc nhá tõng giät, th× níc cã thÓ d©ng lªn nhiÒu trªn mÐp th×a tríc khi trµn ra. T¬ng tù, cã thÓ ®æ níc vµo mét c¸i cèc s¹ch tíi møc cao h¬n miÖng cèc. NÕu mét èng thuû tinh s¹ch cã ®êng kÝnh nhá ®îc c¾m th¼ng ®øng vµo trong mét mÆt níc tù do, th× níc sÏ d©ng lªn trong èng. TÊt c¶ ®ã lµ nh÷ng vÝ dô vÒ hiÖu øng søc c¨ng mÆt ngoµi cña chÊt láng. H×nh 2.4. Søc c¨ng mÆt ngoµi trªn mÆt ph©n c¸ch T huéc tÝnh nµy gäi lµ søc c¨ng mÆt ngoµi, trªn thùc tÕ lµ kÕt qu¶ chªnh lÖch søc hót lÉn nhau gi÷a nh÷ng ph©n tö chÊt láng gÇn mét bÒ mÆt so víi nh÷ng ph©n tö xa h¬n trong khèi chÊt láng. Nh vËy c«ng ®îc thùc hiÖn khi mang nh÷ng ph©n tö tíi bÒ mÆt nµy, vµ sù h×nh thµnh mÆt tù do ®ßi hái mét chi phÝ n¨ng lîng. N¨ng lîng trªn 25
- diÖn tÝch ®¬n vÞ bÒ mÆt nµy ®îc gäi lµ søc c¨ng mÆt ngoµi, ký hiÖu lµ . Søc c¨ng mÆt ngoµi cã thø nguyªn cña n¨ng lîng trªn diÖn tÝch ®¬n vÞ hoÆc lùc trªn chiÒu dµi ®¬n vÞ. Lùc nµy cã thÓ coi nh híng th¼ng gãc víi mét ®êng bÊt kú kÎ trªn mÆt ph©n c¸ch vµ trong mÆt ph¼ng cña mÆt ph©n c¸ch, nh cho thÊy trong h×nh 2.4. Søc c¨ng mÆt ngoµi cña níc trong kh«ng khÝ kho¶ng 0,073 N/m. B¶ng 2.1. Nh÷ng thuéc tÝnh cña níc NhiÖt ®é MËt ®é §é nhít ®éng häc Søc c¨ng mÆt Mo®un ®µn ngoµi håi K (N/m2) (N/m) ° 0C (kg/m3) (m2/s) 1,787 x 106 1,98 x 109 0 999,87 0,0757 1,728 x 106 1 999,93 0,0755 6 2 999,97 1,671 x 10 0,0753 1,618 x 106 3 999,99 0,0751 6 4 1000,00 1,567 x 10 0,0749 6 2,03 x 109 5 999,99 1,519 x 10 0,0748 1,472 x 106 6 999,97 0,0747 6 8 999,88 1,386 x 10 0,0745 6 2,09 x 109 10 999,73 1,307 x 10 0,0742 1,235 x 106 12 999,52 0,0740 6 2,14 x 109 14 999,27 1,169 x 10 0,0737 1,109 x 106 16 998,97 0,0734 1,053 x 106 18 998,62 0,0731 6 2,19 x 109 20 998,23 1,002 x 10 0,0728 0,890 x 106 25 997,08 0,0720 0,798 x 106 2,25 x 109 30 995,68 0,0712 0,719 x 106 5 994,06 0,0704 0,653 x 106 2,26 x 109 40 992,25 0,0696 0,596 x 106 45 990,25 0,0689 6 2,26 x 109 50 988,07 0,547 x 10 0,0680 0,467 x 106 2,25 x 109 60 983,24 0,0661 0,404 x 106 2,22 x 109 70 977,81 0,0643 0,355 x 106 2,17 x 109 80 971,83 0,0626 0,315 x 106 90 965,34 0,0607 6 100 958,38 0,282 x 10 0,0589 26
- B ¶ng 2.2. C¸c ®¬n vÞ SI trong thñy lùc häc 1. Nh÷ng ®¬n vÞ c¬ b¶n §¹i lîng §¬n vÞ Ký hiÖu ChiÒu dµi mÐt m Khèi lîng kil«gam kg Thêi gian gi©y s NhiÖt ®é nhiÖt ®éng häc ®é Kelvin K Gãc ph¼ng radian rad Gãc khèi stªra®ian sr 2. Nh÷ng ®¬n vÞ dÉn xuÊt §¹i lîng Ký hiÖu m2 DiÖn tÝch m3 ThÓ tÝch VËn tèc m/s m/s2 Gia tèc VËn tèc gãc rad/s m-1 Sè sãng kg/m3 MËt ®é 3. Nh÷ng ®¬n vÞ dÉn xuÊt víi tªn vµ ký hiÖu riªng §¹i lîng Tªn Ký hiÖu §¬n vÞ -1 TÇn sè herz Hz s kg.m.s-2 Lùc newton N N.m-2 = kg.m-1.s-2 ¸p suÊt pascal Pa N.m = kg.m2.s-2 N¨ng lîng, c«ng joule J J.s = kg.m2.s-3 C«ng suÊt watt W KÕt hîp c¸c ®¬n vÞ SI víi tªn riªng vµ nh÷ng ®¬n vÞ c¬ b¶n còng cho ta ®¬n vÞ dÉn xuÊt: søc c¨ng mÆt ngoµi (Newton trªn mÐt = N/m) 4. Nh÷ng tiÒn tè cho béi sè vµ íc sè thËp ph©n ®èi víi nh÷ng ®¬n vÞ SI TiÒn tè Ký hiÖu HÖ sè 109 giga G 106 mega M 103 kilo k 102 hecto h 27
- 101 deca da 10-1 deci d 10-2 centi c 10-3 milli m 10-6 micro 10-9 nano n T hªm tiÒn tè hoÆc ký hiÖu vµo tªn hoÆc ký hiÖu cña ®¬n vÞ SI. Kh«ng ®îc phÐp kÕt hîp nhiÒu tiÒn tè. 107 newton = 107 N = 10 meganewton = 10 MN. Ch¬ng 3. Thuû tÜnh häc 28
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ DETECTOR TRONG SẮC KÝ LỎNG VÀ KHÍ
28 p | 1769 | 364
-
Giáo trình Cơ học lý thuyết
244 p | 593 | 150
-
Chương 8: Các nguyên lý nhiệt động học
16 p | 984 | 149
-
Các nguyên lý cơ học_chương 14
34 p | 345 | 106
-
CÁC NGUYÊN LÝ CỦA DÒNG CHẢY CHẤT LỎNG VÀ SÓNG MẶT TRONG SÔNG, CỬA SÔNG, BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG
335 p | 181 | 68
-
Vật lý phân tử và nhiệt học - Chương 2
25 p | 250 | 67
-
Cơ học lý thuyết phần 4 - Các nguyên lý cơ học
34 p | 353 | 54
-
Bài giảng Hóa học đại cương: Chương I - Nguyễn Văn Đồng
55 p | 215 | 42
-
Bài giảng Đánh giá tác động môi trường - Chương 2: Nguyên lý của dự án EIA
20 p | 130 | 35
-
Bài giảng Quang phổ nguyên tử và ứng dụng
19 p | 177 | 23
-
Bài giảng Chương 2: Nguyên lý 2 của nhiệt động học
10 p | 284 | 18
-
Bài giảng Nguyên lý hoạt động của PMT hữu cơ
16 p | 152 | 15
-
Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 1
6 p | 139 | 14
-
Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương mở đầu
14 p | 87 | 14
-
Bài giảng Vật lý đại cương: Chương 4 - Hệ nhiệt động
56 p | 171 | 12
-
Bài giảng lý sinh: Chương 1
127 p | 194 | 12
-
Bài giảng Lý sinh: Phần 1 - Trường ĐH Võ Trường Toản
85 p | 12 | 7
-
Bài giảng Hệ thống định vị toàn cầu - Chương 2: Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS
6 p | 33 | 3
Chịu trách nhiệm nội dung:
Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA
LIÊN HỆ
Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM
Hotline: 093 303 0098
Email: support@tailieu.vn