Date post: | 06-Nov-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | marsica-bobby |
View: | 124 times |
Download: | 2 times |
5
CAPITOLUL 1
FIZICA FLUIDELOR
1.1. CARACTERISTICILE GENERALE ALE FLUIDELOR
Prin fluid se nelege un mediu continuu, infinit divizibil, care i
modific foarte mult forma sub aciunea unor fore mici. Din punctul de
vedere al strilor de agregare ale substanelor, pot fi considerate fluide
lichidele i gazele.
Un fluid se caracterizeaz prin anumii parametri ce descriu starea lui n
fiecare moment i anume densitatea , presiunea p, cmpul de viteze v ale
diferitelor elemente de fluid, temperatura T. Un fluid este considerat un
mediu continuu dac aceti parametri au valori bine determinate n fiecare
punct al fluidului, la orice moment, fiind deci funcii continue de punct i
timp.
Densitatea unui fluid se definete prin masa de fluid raportat la
unitatea de volum. Dac fluidul considerat este omogen, avnd masa m i
volumul V, atunci prin definiie densitatea sa este dat de expresia:
Vm
= (1.1)
Unitatea de msur pentru densitate n Sistemul Internaional este
kgm-3.
Dac fluidul este neomogen, formula (1.1) definete densitatea medie a
acestuia.
Pentru a defini densitatea fluidului ntr-un punct dat, P, se consider un
element de volum infinitezimal dV, (fig. 1.1.), situat n jurul punctului
respectiv, a crui mas este dm. Densitatea n punctul P se va defini prin
expresia:
6
Figura 1.1
Vm
dd
= (1.2)
Densitatea fiind un concept statistic, volumul dV trebuie s fie suficient
de mare pentru a conine un numr mare de molecule (i deci a avea o
semnificaie fizic).
n general, densitatea unui fluid variaz de la punct la punct i de la un
moment la altul, adic:
),(),,,( trtzyx == (1.3)
Se spune n acest caz c funcia ),( tr descrie un cmp de densiti.
Deoarece densitatea este o mrime scalar, cmpul de densiti este un
cmp scalar.
Densitatea unui fluid depinde de temperatura i presiunea la care
acesta este supus. n cazul lichidelor, densitatea variaz foarte puin cu
presiunea i temperatura, astfel nct n multe situaii poate fi considerat
constant. n schimb, n cazul gazelor densitatea se modific foarte mult la
variaiile de presiune i temperatur.
Asupra unui fluid acioneaz fore ce pot fi exterioare sau interioare.
Forele exterioare se datoresc unor cauze exterioare fluidului i pot fi de
suprafa sau de volum.
Forele exterioare de suprafa se datoresc unor corpuri exterioare care
se afl n contact direct cu suprafaa fluidului. Trebuie precizat c exist o
deosebire ntre modul n care acestea acioneaz asupra unui lichid i asupra
unui solid. n cazul unui solid nu exist nici o restricie asupra direciei n
7
Figura 1.2
care acioneaz fora, n timp ce pentru un fluid n repaus fora de suprafa
trebuie s fie ntotdeauna orientat perpendicular pe suprafa.
Forele exterioare de volum sunt forele ce acioneaz asupra ntregului
volum de fluid prin intermediul unui cmp fizic. Exemple pot fi aciunea
cmpului gravitaional asupra unui fluid, sau aciunea unui cmp
electromagnetic asupra unui fluid ncrcat electric.
Forele interioare se datoresc interaciunilor dintre diferitele elemente
de volum din fluidul respectiv.
Dac aceste interaciuni se realizeaz prin contactul direct dintre
elementele de fluid atunci forele interioare respective se numesc de
suprafa, iar dac ele se realizeaz prin intermediul unui cmp fizic, forele
corespunztoare se numesc interioare de volum.
n cazul fluidelor aciunea unei fore exterioare este descris prin
presiunea p.
Prin definiie, presiunea reprezint mrimea fizic egal cu fora ce
acioneaz normal pe unitatea de suprafa a fluidului:
SFp = (1.4)
Unitatea de msur n S.I. este N/m2.
Dac fora F difer de la un punct la altul al suprafeei fluidului, atunci
formula (1.4) definete valoarea medie a presiunii.
8
Pentru a defini presiunea ntr-un punct P al suprafeei, vom considera o
suprafa nchis (S) ce conine un fluid i pe ea un element de suprafa dS,
centrat n punctul P. (fig.1.2).
Elementul de suprafa dS poate fi reprezentat printr-un vector S
d , de
mrime egal numeric cu aria sa i orientat dup normala exterioar la
suprafa n punctul P. Fie dF fora ce acioneaz normal la suprafa.
Presiunea n punctul P considerat, se definete prin relaia:
SFp
dd
= (1.5)
Deoarece presiunea p poate varia de la un punct la altul al fluidului
precum i de la un moment la altul, adic:
),(),,,( trptzyxpp == (1.6)
funcia ),( trp descrie un cmp de presiuni, care este un cmp scalar.
n cazul n care fluidul este n micare, este necesar s se introduc un
cmp de viteze corespunztor. Se definete viteza fluidului ntr-un punct P
(fig.1.1) ca fiind viteza momentan a centrului de mas al elementului de
volum dV ce nconjoar punctul P. Viteza fluidului poate, n general, s
difere de la punct la punct i de la un moment la altul, adic:
),(),,,( trvtzyxvv == (1.7)
Se spune c funcia ),( trv descrie cmpul de viteze al fluidului, care
este un cmp vectorial.
Dac un fluid are proprietatea c nu-i modific densitatea cnd este
supus aciunii unor fore exterioare atunci el se numete incompresibil.
Dac densitatea se modific sub aciunea forelor exterioare, atunci
fluidul se numete compresibil. Lichidele sunt incompresibile, pe cnd
gazele sunt foarte compresibile.
Compresibilitatea unui fluid la temperatur constant se caracterizeaz
prin coeficientul de compresibilitate, , sau prin inversul acestuia numit
modulul de compresibilitate.
Coeficientul de compresibilitate este definit ca variaia unitii de
volum de fluid pentru o cretere a presiunii egal cu unitatea.
9
pV
V dd1= (1.8)
unde V este volumul iniial, iar dV variaia de volum datorit creterii
presiunii cu dp. Semnul minus se datorete faptului c o cretere de presiune
conduce la o micorare de volum.
Unitatea de msur pentru coeficientul de compresibilitate n Sistemul
Internaional este N-1m2. este, practic, constant pentru lichide, n intervale
mari de variaie a presiunii.
La presiunea i temperatura obinuit =510-10N-1m2 pentru ap i
=410-11N-1m2 pentru mercur. Pentru majoritatea lichidelor, crete odat
cu temperatura, iar pentru ap scade cnd crete temperatura. Avnd
coeficieni de compresibilitate att de mici, lichidele pot fi considerate,
practic, incompresibile.
n cazul gazelor perfecte se poate determina coeficientul de compre-
sibilitate izoterm utiliznd legea lui Boyle i Mariotte,
.constpV = (1.9)
Difereniind relaia (1.9.) se obine:
0dd =+ pVVp (1.10)
adic
==pV
Vp dd11 (1.11)
Coeficientul de compresibilitate izoterm pentru un gaz perfect este,
deci, egal cu inversul presiunii gazului, iar modulul de compresibilitate
izoterm este egal cu presiunea. Pentru un gaz perfect la presiunea ordinar,
=10-5 N-1m2, deci un gaz perfect este de 20 000 de ori mai compresibil
dect apa.
O alt caracteristic important a fluidelor o constituie vscozitatea.
Aceasta reprezint proprietatea fluidului de a se opune la alunecarea
unui strat de fluid fa de straturile vecine. Vscozitatea este caracterizat
prin apariia n fluidul respectiv a unor fore tangeniale de interaciune ntre
straturile vecine, numite forte de frecare interne.
Un fluid care prezint proprietatea de vscozitate se numete fluid
10
vscos. Fluidele vscoase sunt gazele reale i lichidele. Vscozitatea lor este
determinat de micarea moleculelor componente. Astfel moleculele dintr-o
regiune aflat n micare cu o vitez mare se ciocnesc cu moleculele regiunii
vecine ce se mic cu o vitez mai mic, determinnd un transfer de impuls
de la prima regiune ctre cea de-a doua. Acest transfer de impuls st la
originea vscozitii fluidului. Micarea moleculelor fiind afectat de
temperatura mediului, rezult c i vscozitatea este, de asemenea,
dependent de temperatur.
Fluidele care nu prezint proprietatea de vscozitate se numesc ideale.
Sunt fluide ideale gazele foarte rarefiate i lichidele n micare cu vitez
foarte mic.
Astfel de fluide nu exist n natur, studiul lor este important din punct
de vedere teoretic, ca o prim aproximaie a fluidelor reale.
1.2 STATICA FLUIDELOR 1.2.1 LEGEA FUNDAMENTAL A STATICII
FLUIDELOR
n cadrul staticii fluidelor se studiaz proprietile fluidelor aflate n
stare de repaus. Un fluid se consider n stare de repaus dac orice element
de volum din structura sa are la orice moment o vitez nul, adic are un
cmp de viteze nul. Cmpul de presiune va fi n acest caz o funcie de
punctul considerat, adic )(rpp = .
Dac fluidul este ideal i se afl n repaus, atunci ntre diferitele sale
straturi nu pot apare fore tangeniale de interaciune. Prezena unor
asemenea fore ar contribui la deplasri ale straturilor de fluid, i deci fluidul
nu ar mai fi n repaus. Prin urmare, n cazul fluidelor ideale aflate n repaus
singurele fore care apar sunt cele normale numite fore de presiune.
Problema fundamental a staticii fluidelor o constituie obinerea unei
legi care s permit determinarea cmpului de presiune n interiorul unui
fluid aflat n repaus.
S considerm un element de volum infinitezimal n fluidul aflat n
11
Figura 1.3
echilibru, de mas dm i avnd forma unui paralelipiped cu laturile dx, dy,
dz (fig.1.3.).
Vom presupune c singura for exterioar de volum care acioneaz
asupra fluidului este determinat de cmpul gravitaional. Ea are expresia:
GmgFV ddd == (1.12)
unde g reprezint vectorul acceleraiei gravitaionale.
Deoarece:
Vm dd = (1.13)
i dV=dxdydz expresia (1.12) devine:
zyxgFV dddd
= (1.14)
unde (x,y,z) reprezint densitatea fluidului n centrul C al elementului de
volum dV.
Aciunea restului fluidului asupra acestui element de volum poate fi
nlocuit prin fore ''' d,d,d,d,d,d zzyyxx FFFFFF
, normale pe feele lui i
ndreptate spre interiorul lui.
La echilibru, putem scrie de exemplu pentru feele perpendiculare pe
Ox:
0dd'dddd ' == zypzypFF XX (1.15)
deci p = p
12
unde p este presiunea pe faa elementului de volum coninut n planul yOz
si p presiunea pe faa paralel cu ea.
Un rezultat asemntor se obine scriind condiia de echilibru pentru
feele perpendiculare pe axa Oy.
0dd'dddd ' == zxpzxpFF yy (1.16)
deci p = p
Valoarea presiunii este, deci, aceeai pentru o valoare dat a lui z,
oriunde s-ar afla suprafaa pe care ea se exercit, deci presiunea este aceeai
n toate punctele unui plan orizontal.
S scriem condiia de echilibru n cazul fetelor perpendiculare pe
direcia Oz:
0dddddddd '11' == VgyxpyxpGFF zz (1.17)
zyxgyxpp ddddd)( 1'1 = (1.18)
zgp dd = (1.19)
unde dp=p1-p1
Relaia (1.19.) se mai poate scrie sub forma:
gzp
=dd (1.20)
Expresia (1.20.) reprezint legea fundamental a staticii fluidelor scris
pentru cazul cnd singurele fore exterioare de volum ce acioneaz asupra
fluidului sunt cele determinate de cmpul gravitaional.
Dac se admite c asupra elementului de fluid considerat acioneaz i
alte fore exterioare de volum i se noteaz prin f
valoarea rezultant a
tuturor forelor exterioare de volum, raportat la unitatea de mas a
fluidului, atunci legea fundamental a staticii fluidelor se va scrie sub forma
general:
fpgrad
=1 (1.21)
13
1.2.2 PRESIUNEA HIDROSTATIC
S determinm distribuia presiunii ntr-un fluid incompresibil
(=const.), de exemplu un lichid aflat n repaus n cmpul gravitaional
(fig.1.4.).
Legea fundamental (1.20.) poate fi nlocuit n acest caz prin urmtoarele
trei ecuaii scalare:
gzp
yp
xp
=
=
= ,0,0 (1.22)
Gradientul presiunii care caracterizeaz variaia presiunii n spaiu i
este dat de derivatele pariale ale acesteia, este un vector perpendicular pe
suprafeele de presiune constant (n sensul creterii
presiunii), deci este perpendicular pe suprafeele de cmp gravitaional
constant n sensul acestui cmp. n cazul de mai sus aceste suprafee sunt
orizontale i cmpul este vertical n jos, de aceea gradientul presiunii s-a
redus numai la componenta vertical. Ultima ecuaie din (1.22) se poate
scrie atunci sub forma:
zgp dd = (1.23)
Fluidul fiind presupus incompresibil (=const), ecuaia (1.23.) poate fi
integrat ntre limitele ce corespund, de exemplu, punctelor A si B:
Figura 1.4
14
)(dd ABz
z
B
A
zzgzgpB
A
== sau
ghpp BA += (1.24)
unde h este diferena de nivel ntre punctele B si A.
Expresia gh este denumit presiune hidrostatic i reprezint presiunea
pe care o exercit n punctul A lichidul cuprins ntre nivelele ce trec prin A
i respectiv B.
Dac punctul B este chiar pe suprafaa lichidului, atunci se noteaz pB
cu p0, unde p0 reprezint presiunea atmosferic. Considernd punctul A
arbitrar ales ecuaia (1.24) devine:
ghpp += 0 (1.25)
unde h reprezint adncimea la care se afl punctul n care se calculeaz
presiunea p.
Dac cmpul de fore exterioare ce acioneaz asupra fluidului este
conservativ, atunci fora de volum deriv dintr-un potenial, n sensul c
poate fi scris sub forma =VF
U. Raportnd aceast for la unitatea de
mas se obine:
mm
Ff V 1==
U=-
mU = -V (1.26)
unde V = U/m reprezint potenialul cmpului exterior.
Din relaiile (1.21) si (1.26) rezult:
1p+V= 0=
+
Vp , adic
.constVp =+
(1.27)
Relaia (1.27) exprim faptul c ntr-un fluid incompresibil aflat n
repaus ntr-un cmp exterior de fore conservative, suprafeele de presiune
constant sunt n acelai timp i suprafee de potenial constant, adic sunt
15
suprafee echipoteniale.
n exemplul considerat suprafeele echipoteniale sunt plane orizontale.
Suprafaa lichidului, numit suprafaa liber, este de asemenea o
suprafa echipotenial. Pe aceast proprietate se bazeaz principiul vaselor
comunicante, conform cruia nivelul unui lichid turnat n dou vase ce
comunic ntre ele este acelai n ambele vase.
1.2.3. FORMULA BAROMETRIC
O aplicaie a legii fundamentale a staticii fluidelor o constituie deter-
minarea cmpului de presiune ntr-un fluid compresibil aflat n echilibru n
cmpul gravitaional al Pmntului, de exemplu atmosfera. Fluidul se
caracterizeaz prin proprietatea c densitatea sa ntr-un punct oarecare este
funcie numai de presiunea din acel punct: =(p). Astfel de fluide se
numesc barotrope. Exemple de astfel de fluide sunt gazele ideale, apa
mrilor i oceanelor, atmosfera Pmntului.
Legea fundamental a staticii fluidelor se scrie pentru fluidele
barotrope, astfel:
zgpp d
)(d
=
(1.28)
Prin integrare rezult:
+=
Cgzpp
)(d (1.29)
unde C este o constant de integrare ce se determin din condiii la limit.
Se alege o form particular pentru funcia (p) cu scopul de a evalua
analitic sau numeric integrala din membrul stng al relaiei (1.29). Se
consider ca fluid barotrop gazul ideal. Se utilizeaz ecuaia de stare a
gazului ideal:
RTMmpV = (1.30)
16
Figura 1.5
din care se poate exprima densitatea:
pRTM
Vm
== (1.31)
nlocuind (1.31) n (1.29) si integrnd rezult:
CgzpMRT
+=ln (1.32)
Dac se admite condiia la limita p=p0 pentru z=0, rezult 0ln pMRTC = .
Relaia (1.32) devine:
RTMgz
epp
= 0 (1.33)
Relaia (1.33) constituie formula barometric si arat c n cazul
fluidelor compresibile barotrope, aflate n cmp extern gravitaional i care
se supun legii gazelor perfecte, presiunea scade exponenial cu nlimea
(fig. 1.5.).
Cercetrile experimentale au pus n eviden faptul c atmosfera
Pmntului poate fi considerat ca un fluid barotropic pentru care este
valabil formula barometric. Pentru ea, nivelul z=0 se alege nivelul mrii.
17
1.3 DINAMICA FLUIDELOR 1.3.1 CURGEREA FLUIDELOR.
ECUAIA DE CONTINUITATE
Pentru descrierea micrii unui fluid se adopt metoda dezvoltat de L.
Euler, conform creia se cunosc n fiecare moment i n fiecare punct al
fluidului valorile urmtorilor parametri: viteza v , densitatea , presiunea p.
Curgerea unui fluid poate fi considerat:
- staionar, dac viteza v a fluidului n fiecare punct este constant.
Prin urmare, ntr-un punct dat al fluidului, viteza oricrui element de
fluid ce trece prin el este totdeauna aceeai.
- nestationar, dac viteza fluidului ntr-un punct dat depinde de timp.
Curgerea unui lichid printr-o conduct prezint dou tipuri limit de
regimuri de curgere:
- curgerea laminar n care elementele de volum de fluid se mic
regulat i paralel.
- turbulent, caracterizat printr-o variaie a vitezelor n mod neregulat
de la punct la punct i de la un moment la altul. Turbioanele sunt dispuse
dezordonat fat de direcia general de curgere i liniile de curent sunt
aezate neregulat unele fa de celelalte.
Curgerea unui fluid poate fi compresibil sau incompresibil dup cum
fluidul considerat este compresibil sau nu.
Analog, curgerea poate fi vscoas sau nevscoas dup cum fluidul
este vscos sau ideal.
Se definete linia de curent ca fiind traiectoria descris de un element de
fluid n micarea sa (Fig.1.6.).
O linie de curent se caracterizeaz prin aceea c vectorul vitez al
elementului de fluid este tangent la linie n fiecare punct al su.
n cazul unei curgeri staionare liniile de curent nu se pot intersecta ntre
ele.
Totalitatea liniilor de curent care trec printr-un contur nchis formeaz
un tub de curent (Fig.1.6.). ntr-o curgere staionar liniile de curent din
18
Figura 1.6
interiorul unui tub de curent nu pot prsi tubul.
Fluidul care intr la un capt al tubului trebuie s ias prin cellalt
capt.
O mrime caracteristic unui fluid aflat n micare o constituie debitul
volumic Qv, al acestuia.
Prin definiie, debitul volumic printr-o suprafa dat reprezint mri-
mea fizic numeric egal cu un volum de fluid ce trece n unitatea de timp
prin acea suprafa.
tVQV = (1.34)
Unitatea de msur n S. I. este m3/s.
Dac debitul volumic variaz de la un moment la altul prin suprafaa
considerat, relaia (1.34.) definete valoarea medie a debitului n timpul t.
Pentru a defini valoarea momentan a debitului volumic, se consider un
interval de timp infinitezimal dt i se noteaz cu dV volumul de fluid ce
trece n acest interval prin suprafaa considerat. Debitul volumic se poate
defini atunci prin relaia:
tVQV d
d= (1.35)
Se definete debitul masic Qm, al fluidului printr-o suprafa dat, ca
fiind mrimea fizic egal cu masa de fluid ce trece n unitatea de timp prin
suprafaa respectiv.
19
tmQm d
d= (1.36)
Unitatea de msur n S. I. este kg/s.
Aplicnd relaia de definiie a densitii
Vm
dd
= (1.37)
rezult urmtoarea relaie de legtura ntre cele dou mrimi Qv i Qm.
Vm QtVQ ==
dd (1.38)
Ecuaia de continuitate care constituie una dintre ecuaiile fundamentale
din dinamica fluidelor exprim de fapt legea conservrii masei de fluid.
Vectorul vj
= (1.39)
se numete vectorul densitii fluxului de mas. Direcia sa coincide cu cea a
micrii fluidului, iar mrimea sa determin cantitatea de fluid care trece n
unitatea de timp prin unitatea de suprafa dispus normal la direcia de
micare.
( ) 0div =+ v
t
1.3.2 ECUAIA DE MICARE A LUI EULER
Problema fundamental urmrit n curgerea fluidelor adic n dinamica
fluidelor o constituie determinarea cmpului de presiune i a cmpului de
viteze ale unui fluid aflat n micare.
Aceste mrimi sunt determinate de ecuaia lui Euler, care este ecuaia
de micare a unui fluid.
Pentru a deduce aceast ecuaie se va considera un element de volum
infinitezimal din fluidul aflat n micare, de mas dm i avnd forma unui
paralelipiped cu laturile dx, dy, dz. Asupra fluidului pot aciona fore de
suprafa i fore volumice.
Fora de suprafa rezultant, care acioneaz asupra ntregului element
de volum considerat, va fi deci:
zyxkzpj
ypi
xpFFFF zyxS ddddddd
+
+
=++=
20
sau
=SF
d zyxp ddd (1.40)
unde p este gradientul cmpului de presiune p(x,y,z), adic:
kzpj
ypi
xpp
+
+
= (1.41)
Asupra acestui element de fluid se exercit i o for volumic a crei
valoare raportat la unitatea de mas se noteaz cu f
. Fora de volum ce
acioneaz asupra elementului de fluid dV se va exprima prin relaia:
zyxfmfFd V dddd
== (1.42)
Fora rezultant ce acioneaz asupra elementului de fluid considerat are
expresia:
=+= (ddd VS FFF
zyxfp ddd)
+ (1.43)
Aceast for determin o micare accelerat a fluidului n conformitate
cu legea a doua a lui Newton:
zyxtvmaF ddd
dddd
== (1.44)
unde zyxVm ddddd == i tva
dd
=
Din expresiile (1.43.) i (1.44.) se obine:
= (ddddd zyx
tv
zyxfp ddd)
+ (1.45)
Deoarece elementul de volum dV = dxdydz este arbitrar ales:
=1
dd
tv
fp
+ (1.46)
Expresia (1.46) reprezint ecuaia de micare a lui Euler pentru un fluid
ideal, scris sub form vectorial.
Aceast ecuaie, mpreun cu ecuaia de continuitate i condiiile iniiale
i de mrginire corespunztoare, determin complet cmpul de viteze
),( trv i cmpul de presiune p , dac se presupune c fluidul este
incompresibil ( =const.) i se cunoate fora de volum raportat la unitatea
21
de mas, f
.
n cazul unui fluid compresibil este util o relaie termodinamic pentru
densitate, de exemplu de forma =(p) ca n cazul fluidelor barotrope.
n cazul unui fluid n repaus 0=v , deci n absena oricrei fore
externe, rezult:
p=0 (1.47)
deci p = const. pentru orice punct din masa fluidului.
Dac asupra fluidului n repaus singura for exterioar de volum care
acioneaz este aceea determinat de cmpul gravitaional )( gf = , expresia
(1.46.) devine:
1 0=+ gp deci gp = (1.48)
adic regsim legea fundamental a staticii fluidelor.
n cazul unei curgeri staionare, deci cnd ntr-un punct din masa fluidu-
lui viteza nu depinde de timp , 0=
tv i ecuaia lui Euler (1.73.) devine:
v(
=1)v fp
+ (1.49)
1.3.3 ECUAIA LUI BERNOULLI
S considerm micarea unui fluid ideal i incompresibil printr-un tub
de curent (sau conduct), presupunnd c singura for exterioar de volum
ce acioneaz asupra sa este aceea datorat cmpului gravitaional.
Asupra unui element de volum acioneaz fora de volum de greutate
mgG dd = , care raportat la unitatea de mas are expresia:
gmGf
==
dd (1.50)
g are componentele gx=0, gy=0, gz=-g. Prin nlocuirea expresiei (1.50.) n
ecuaia de micare a lui Euler (1.46.), se obine pe componente:
22
xp
tvx
=
1d
d , yp
tvy
=
1d
d,
zpg
tvz
=
1d
d (1.51)
nmulind prima din ecuaiile (1.51.) cu dx, a doua cu dy i a treia cu dz
i nsumndu-le membru cu membru, rezult:
zgzzpy
ypx
xp
tzv
tyv
txv zyx dddd
1ddd
ddd
ddd
+
+
=++ sau
zgpvvvvvv zzyyxx dd1ddd
=++ (1.52)
Deoarece v2=vx2+vy2+vz2, prin difereniere se obine d(v2)=2(vxdvx+
+vydvy+vzdvz). Ecuaia (1.52.) se mai poate scrie sub forma:
zgpv dd1)(d21 2
= (1.53)
innd seama c fluidul este incompresibil (=const) i g=const, ecu-
aia (1.53.) se scrie:
021d 2 =
++ pgzv (1.54)
De aici, rezult:
.21 2 constpgzv =++ (1.55)
care exprim legea lui Daniel Bernoulli pentru un fluid ideal, incompresibil
care se mic n cmp gravitaional.
Termenul 1/2v2 se numete presiune dinamic a fluidului, termenul
gz este presiunea hidrostatic, iar p se numete presiune static. Legea lui
Bernoulli se poate enuna astfel:
ntr-o curgere staionar a unui fluid ideal, incompresibil, aflat n cmp
gravitaional, suma dintre presiunea dinamic, hidrostatic si static rmne
constant de-a lungul unei linii de curent.
23
Figura 1.7
1.4. FLUIDE VSCOASE 1.4.1. CARACTERISTICI GENERALE
n studiul efectuat anterior asupra micrii fluidelor nu s-au luat n
considerare interaciunile dintre elementele de fluid sau dintre fluid i pereii
tubului prin care acesta circul.
n realitate, aceste interaciuni exist i se manifest prin apariia unor
fore de frecare interne sau de vscozitate ntre diferitele straturi de fluid sau
ntre fluid i pereii vecini. Stratul cu vitez mai mic va frna stratul cu
vitez mai mare cu care este n contact, i invers, stratul cu vitez mai mare
va accelera stratul cu vitez mai mic peste care el alunec.
Apariia acestor fore, situate n planele de alunecare, se datoreaz
variaiei de impuls a straturilor datorit trecerii moleculelor dintr-un strat n
altul.
Fluidele la care apar astfel de forte se numesc fluide vscoase.
Vscozitatea unui fluid se caracterizeaz cu ajutorul coeficientului de
vscozitate dinamic: .
S considerm un fluid vscos situat ntre doi perei plani A i B,
dispui paralel ntre ei (Fig.1.7, a)
Se presupune c peretele A este fix, iar peretele B se afl ntr-o micare
de translaie, cu viteza v . Straturile de fluid dintre cei doi perei plani A si B
se pun n micare, datorit forelor de frecare. Stratul din vecintatea
suprafeei A este n repaus, cel din vecintatea suprafeei B se deplaseaz cu
viteza v , iar restul straturilor se deplaseaz cu viteze cuprinse ntre 0 i v .
24
O asemenea micare, n care straturile de fluid se menin paralele ntre
ele, este denumit curgere laminar.
ntr-o asemenea curgere liniile de curent sunt bine determinate i nu se
intersecteaz niciodat, iar fiecare element de fluid se menine n interiorul
unui acelai tub de curent. Din punct de vedere matematic aceasta se
exprim prin condiia ca funcia ),( trv s fie univoc (o singur vitez ntr-
un punct la un moment dat).
La viteze mari curgerea fluidului devine turbulent, neregulat, elemen-
tele de fluid se amestec i se formeaz vrtejuri.
n cazul n care micarea fluidului vscos are loc printr-un tub cu seci-
une circular, straturile de fluid au, n cazul curgerii laminare, forma unor
cilindri concentrici, viteza lor crescnd de la peretele tubului ctre axa sa
(Fig.1.7.b).
ntre diferitele straturi de fluid apare o variaie a vitezei, adic un
gradient de vitez dv/dr, n direcie perpendicular pe direcia de micare.
Fie S suprafaa comun a dou straturi vecine aflate n contact.
Experiena arat c fora de frecare intern dintre straturi este propor-
ional cu gradientul de vitez i suprafaa S-legea lui Newton:
SrvFr d
d= (1.56)
unde este coeficientul de vscozitate dinamic. Semnul - arat c fora
de frecare este de sens opus micrii fluidului.
Unitatea de msur S. I. este decapoise daP.
2mNs1
1m1skg11daP ==
Unitatea CGS este poise, P, mskg0,1
scm1g1P =
= . Se observ c
10Pcms
g10cm1s10
g101m1s1kg
2
3=== , ceea ce justific denumirea de decapoise
dat unitii de msur n SI.
Coeficientul de vscozitate dinamic este dependent de natura fluidului
i de temperatur.
Se definete coeficientul de vscozitate cinematic, , ca fiind raportul
25
dintre coeficientul de vscozitate dinamic i densitatea a fluidului
presupus omogen
= (1.57)
Unitatea de msur n S. I. este decakilostokesul, daKSt.
[ ] 1daKSts
mkg/mkg/ms
2
3SI ===
n sistemul CGS, unitatea de msur este stokesul (St):
1s
1cm1St2
=
Se observ c 1daKStSt1010s
cm10s
m1 32
42
=== ceea ce justific
denumirea dat anterior pentru unitatea de msur a lui n SI.
1.4.2. LEGEA HAGEN-POISEUILLE
S studiem curgerea laminar a unui fluid vscos printr-o conduct
cilindric, dispus orizontal, avnd seciune circular de raz R i lungime l
(Fig.1.8.)
Datorit frecrii dintre lichid i peretele conductei, stratul periferic al
fluidului ader la conduct, viteza de curgere crescnd spre axa conductei.
S delimitm un tub de curent de raz r. Asupra fluidului din acest tub
acioneaz forele de presiune de la cele dou seciuni extreme ale conductei
Figura 1.8
26
(p1 n sensul curgerii i p2 n sens opus) cu rezultanta:
222
1 rprp
i fora de frecare intern pe suprafaa lateral, exercitat de restul fluidului,
datorit vscozitii:
rvlr
dd2
Curgerea fiind staionar, se poate scrie urmtoarea relaie care exprim
c aceste fore sunt n echilibru:
rvlrrpp
dd2)( 221 = (1.58)
unde semnul - se datoreaz semnului negativ al gradientului vitezei
dv/dr
27
Figura 1.9
421
8)( R
lppQV
= (1.62)
Relaia (1.62.) este cunoscut sub denumirea de legea Hagen-Poiseuille.
Ea arat c n cazul unei curgeri laminare a unui fluid vscos printr-o
conduct cilindric, debitul volumic de fluid este proporional cu puterea a
patra a razei conductei i cu gradientul de presiune (p1-p2)/l.
1.4.3. LEGEA LUI STOKES
S considerm micarea ntr-un fluid a unei sfere cu diametru mic n
raport cu dimensiunile masei de fluid. Sfera sufer o rezisten dat de legea
lui Stokes:
F=6rv (1.63)
Ea arat c n cazul unei deplasri cu viteza mic a unei sfere ntr-un
fluid vscos, fora de frecare ce se exercit asupra acestuia este
proporional cu coeficientul de vscozitate al fluidului, cu raza sferei i cu
viteza cu care ea se deplaseaz n fluid.
Cu ajutorul formulei lui Stokes se poate determina, de exemplu, coefi-
cientul de vscozitate dinamic , a unui lichid. Pentru aceasta se las s
cad, sub aciunea forei de greutate, o sfer omogen, de densitate i raz
r, ntr-un lichid omogen de densitate (Fig. 1.9.).
Iniial viteza fiind mic, fora de frecare Stokes este mic i corpul cade
accelerat sub aciunea greutii aparente. Pe msur ce crete viteza, crete
i fora Stokes pn cnd devine egal cu greutatea aparent i sfera coboar
atunci uniform cu viteza limit.
grgrvr '3
43
4633
= (1.64)
Din relaia (1.64.) se poate calcula coeficientul
de vscozitate dinamic
2)'(92 rgv
= (1.65)
Cunoscnd , , g i r i msurnd
28
experimental viteza de cdere a sferei, se poate calcula cu formula (1.65).
Prin msurarea vitezei de cdere n aer a unor picturi de ulei ncrcate
electric, att sub aciunea cmpului gravitaional ct si sub aciunea
simultan a unui cmp electric, se poate determina sarcina electronului
(metoda lui Millikan).
1.4.4. TENSIUNEA SUPERFICIAL
Ptura periferic a oricrui lichid este alctuit din molecule, care se
atrag reciproc, iar n urma acestei atracii se produce o apropiere ntre
molecule ceea ce conduce la micorarea ct mai mult a suprafeei aparente a
lichidului respectiv.
Deci ptura periferic a lichidelor ar fi analoag cu o membrana elastic
n extensiune, avnd tendina s revin la forma iniial, de arie mai mic.
Orice cretere a suprafeei peste aria minim compatibil cu condiiile
date (la volum de lichid dat) necesit exercitarea unor fore exterioare care
s aduc molecule din volumul de lichid, mpotriva forelor ndreptate spre
interiorul lichidului, n stratul superficial, efectundu-se lucru mecanic
mpotriva acestor fore.
Se numete tensiune superficial a unui lichid o mrime egal cu
raportul dintre lucrul mecanic W necesar pentru a mri aria suprafeei libere
a lichidului cu A si creterea A a acestei arii.
A
W
= (1.66)
S producem o pelicul de lichid n interiorul unui cadru de srm
ABN1M1 (Fig.1.10.), care are o latur M1N1 (de greutate neglijabil)
mobil. Fie M1N1=l.
S aplicm peliculei de lichid o for F
, care se exercit pe mijlocul
laturii M1N1 deplasnd-o pn n M2N2 pe distana M1M2=x. n cursul
acestui proces pelicula de lichid avnd dou fee, aria suprafeei libere a
variat cu A=2lx, fora F
efectund lucrul mecanic W=F x.
Fie f=F/2 fora aplicat pe lungimea l pe fiecare dintre cele dou fee
29
Figura 1.10
ale peliculei de lichid.
Relaia (1.66.) devine:
2lx=2fx
sau lf
= (1.67)
Pentru l=1, =F. Deci, tensiunea superficial a unei membrane elastice
este numeric egal cu fora care se exercit asupra unitii de lungime de pe
suprafaa ei.
Formula dimensional i unitatea de msur n Sistemul Internaional
pentru tensiunea superficial sunt:
[ ] [ ][ ]2MT
LF
==mN
SI=
n sistemul CGScmdyn
CGS
=
Observaii cu privire la tensiunea superficial:
1. La suprafaa aparent a oricrui lichid exist o tensiune superficial
, care tinde s micoreze ct mai mult aria acestei suprafee. Acest fapt este
dovedit prin forma sferic a picturilor mici, deoarece sfera este corpul care,
pentru un volum dat, prezint o suprafa minim.
2. Tensiunea superficial exist att la lichide ct i la gaze.
30
Figura 1.11
1.4.5. TENSIUNEA INTERFACIAL
S considerm trei medii diferite: I, II si III (Fig.1.11.), separate ntre
ele prin suprafeele curbe OA, OB i OC, iar aceste suprafee se
intersecteaz dup o curb, a crei tangent n punctul O este perpendicular
pe planul figurii. La suprafaa de separaie OA dintre mediul I i mediul II
acioneaz tensiunea superficial 12, tangent n O la aceast interfa. n
mod asemntor, la suprafaa de separaie OB, dintre mediul II i mediul III
acioneaz tensiunea superficial 23, tangent n O la suprafaa respectiv,
iar la suprafaa de separaie OC dintre mediul I i mediul III acioneaz
tensiunea superficial 13, tangent i ea n O la interfaa respectiv.
Pentru ca aceast curb de separaie dintre cele trei medii s fie n
echilibru, trebuie ca fiecare din cele trei fore superficiale s fie egal i de
sens opus cu rezultanta celorlalte dou. Aceasta nseamn c ntre cele trei
fore 132312 ,, exist relaia vectorial:
0.. 132312 =++
(1.68)
Fie OR rezultanta forelor 12
i 23
. La echilibru, trebuie ca:
OR13 =
(1.69)
sau
++= cos2 2312223
212
213 (1.70)
31
Figura 1.12
S considerm o pictur de lichid, aflat n echilibru pe suprafaa altui
lichid, mediul III fiind aerul.
Tensiunile superficiale ale lichidelor nemiscibile, aflate n contact cu
aerul, sunt: 1(=13) pentru mediul I i 2(=23) pentru mediul II. Dac
pictura este foarte turtit, unghiul este foarte mic i se poate neglija.
Ecuaia de echilibru devine, n acest caz:
12=122+22+2122=(12+2)2
de unde:
12=1-2 (1.71)
Mrimea 12 se numete tensiune interfacial, iar relaia (1.71) este
cunoscut sub denumirea de relaia lui Dupre.
Tensiunea interfacial este tensiunea superficial care apare la suprafaa
de contact a dou medii i este egal cu diferena tensiunilor superficiale ale
lichidelor n contact.
Asemenea fenomene se ntlnesc cnd, pe suprafaa unui lichid se
depune o pictur dintr-un alt lichid. Astfel, n cazul unor perechi de lichide,
pictura rmne izolat, pe cnd n cazul altor perechi de lichide, pictura se
ntinde pe suprafaa lichidului-suport.
Fie o pictur dintr-un lichid B aezat pe suprafaa lichidului A
(Fig.1.12.).
Dac lichidul B nu se rspndete pe suprafaa lichidului A, cele trei
fore corespunztoare tensiunilor superficiale A, B i AB, aplicate n
punctul M, trebuie s verifice condiia B+AB>A. Dac A>B+AB
pictura nu este stabil i lichidul B se rspndete pe suprafaa lui A.
32
1.4.6. FORE DE COEZIUNE. FORE DE ADEZIUNE
Forma stratului superficial.
Forele de interaciune se manifest nu numai ntre molecule de acelai
tip, ci i ntre molecule de natur diferit.
Prin definiie, forele de atracie dintre moleculele aceluiai corp se
numesc forte de coeziune, iar forele de atracie dintre moleculele a dou
corpuri diferite se numesc fore de adeziune.
Ca urmare a existenei forelor de adeziune, atunci cnd un lichid i un
solid vin n contact, suprafeele lor care se ntlnesc se intersecteaz sub un
unghi determinat. Se numete unghi de racordare ntre un lichid i un solid,
unghiul dintre suprafaa solid (presupus plan) i planul tangent la
suprafaa lichidului, n punctul lor de intersecie, msurat spre interiorul
lichidului.
S analizm situaia unui lichid nchis ntr-un vas cu perei verticali,
(figura 1.13 a i b) unde suprafaa lichidului a fost figurat orizontal.
Unghiul de racord fiind diferit de zero, suprafaa lichidului nu este
plan. Fiind la echilibru, aceast suprafa este aezat perpendicular pe
fora care acioneaz asupra ei, F
, rezultanta forelor de adeziune i
coeziune care solicit moleculele de la suprafaa lichidului, n apropierea ei.
Cazul a corespunde meniscului concav format de toate lichidele care
ud pereii vasului. Pentru a explica formarea acestui menisc, se va
Figura 1.13
33
considera o molecul din stratul superficial, situat n imediata apropiere a
peretelui. Aceast molecul este atras de moleculele peretelui vasului cu o
for de adeziune aF
perpendicular pe peretele vasului. n acelai timp, ea
este supus i forelor de coeziune produse de moleculele cuprinse n sfertul
sferei de aciune molecular care se gsete in lichid. Din acest motiv, fora
de coeziune rezultant cF
este ndreptat spre interiorul lichidului sub un
unghi de aproximativ 450. Rezultanta forelor de adeziune i coeziune
perpendicular pe suprafaa liber a lichidului este ndreptat n afar i de
aceea meniscul este concav.
Cazul b corespunde meniscului convex format de lichidele care nu
ud pereii vasului, deci pentru un unghi de racord >900. Fora de adeziune
aF
este mai mic dect fora de coeziune cF
, rezultanta este orientat spre
interiorul lichidului, iar suprafaa liber perpendicular pe rezultant
formeaz n acest caz un menisc convex.
1.4.7. PRESIUNEA SUB SUPRAFEE LIBERE CURBE
Forele superficiale crora li se datoreaz formarea meniscurilor, cau-
zeaz o diferen de presiune ntre cele doua regiuni separate printr-o astfel
de suprafa.
Dac meniscul este convex, rezultanta forelor superficiale pe conturul
care mrginete elementul de arie este ndreptat spre interiorul lichidului,
prin urmare, n lichid presiunea este mai nalt dect n faza gazoas. n
schimb, dac meniscul este concav, din acelai motiv, presiunea din
interiorul lichidului este mai joas dect cea de deasupra lui.
Diferena de presiune dintre cele dou pri ale meniscului este dat de
formula lui Laplace
+=
21
11RR
p (1.72)
Dac inem seama de presiunea intern k, exercitat de ptura periferic
plan, formula lui Laplace se poate scrie: P = kp
34
Figura 1.14
sau
+=
21
11RR
kp (1.73)
Semnul + corespunde meniscului convex, iar semnul - meniscului
concav. Aadar, pentru un acelai fluid, i la aceeai temperatur, presiunea
intern este mai mare la meniscul convex dect la meniscul plan i mai mare
la meniscul plan dect la cel concav.
Dac meniscul fluidului este sferic: R1=R2=R, formula lui Laplace se
reduce la:
R
kp = 2 (1.74)
Deoarece din punct de vedere al existenei presiunii interne nu se
manifest nici o deosebire calitativ ntre lichide i gaze, se poate considera
c formula lui Laplace este valabil pentru toate fluidele, oricare ar fi starea
lor de agregare.
1.4.8. FENOMENE CAPILARE
Fenomenele de urcare sau coborre a lichidului n tuburile capilare
(tuburi foarte nguste cu diametre sub 1mm) se numesc fenomene de
capilaritate.
Ele sunt rezultatul forelor de interacie dintre un lichid i un corp solid
i care conduc la abaterea, de la
forma de plan orizontal, a suprafeei
libere a lichidului.
S considerm cazul unui tub
capilar scufundat ntr-un lichid care
ud pereii capilarului.
n acest caz lichidul se va ridica n
tubul capilar pn la o nlime h.
Fie r raza interioar a tubului i
unghiul de racord. Pentru simplificare s presupunem c meniscul are forma
unei calote sferice de raz R (Fig.1.14.). n acest caz se poate scrie:
35
r = R cos (1.75)
Forele de adeziune dintre lichid i peretele tubului, care se exercit pe
tot conturul meniscului, menin n interiorul tubului coloana de lichid de
nlime h. Condiia de echilibru se poate scrie astfel:
Fs=G
sau
2R=R2gh (1.76)
unde este densitatea lichidului, iar tensiunea superficial a lichidului.
Utiliznd relaia (1.75.), se obine nlimea h la care se ridic lichidul
n tubul capilar:
gdgrh
=
=
cos4cos2 (1.77)
Atunci cnd lichidul ud complet tubul capilar =0. Lichidul se va
ridica pn la nlimea:
gdgrh
=
=42 (1.78)
n acest caz meniscul este o emisfer de raz r.
Relaia (1.78.) este cunoscut sub numele de relaia lui Jurin. Ea arat
c nlimea la care se ridic un lichid ntr-un tub capilar este invers
proporional cu diametrul tubului.
1.5. GAZE REALE 1.5.1. IZOTERMELE LUI ANDREWS
Experiena arat c la presiuni care nu sunt foarte joase i la temperaturi
care nu sunt foarte nalte, gazele se abat de la starea de gaz ideal. Abaterile
fat de ecuaia de stare a gazelor ideale prezentate de gazele reale se
datoreaz faptului c un gaz real nu respect condiiile de gaz ideal. Astfel
moleculele unui gaz real nu pot fi considerate puncte materiale i ca atare
ocup un volum propriu care nu este neglijabil n raport cu volumul gazului.
De asemenea, energia intern a gazului real este egal cu suma energiei
36
Figura 1.15
cinetice de translaie, rotaie i vibraie i a energiei poteniale datorit
interaciunilor dintre molecule.
Un mod de prezentare a comportrii unui gaz, n care apar clar abaterile
de la starea de gaz ideal, const n trasarea izotermelor corespunztoare
gazului respectiv.
n figura 1.15. sunt prezentate cteva din izotermele determinate de
Thomas Andrews pentru CO2.
Considerm un volum de bioxid de carbon, aflat la o presiune i
temperatur cunoscut. Fie I0 punctul figurativ de stare. Comprimnd gazul
n mod izoterm, volumul su se reduce din ce n ce mai mult, pn se ajunge
la starea reprezentat de punctul A1 de pe izoterm. De la aceast stare
comportarea gazului se modific i anume: continund s micorm
volumul gazului, presiunea rmne constant, situaie caracteristic
vaporilor saturani (la care presiunea este independent de volum).
Aceast comportare a gazului se datorete faptului c, de la starea
corespunztoare punctului A1 de pe izoterm, gazul ncepe s se lichefieze
37
parial, de aceea el capt acum proprietile vaporilor saturani. Micornd
tot mai mult volumul gazului, sub presiune constant, crete cantitatea de
gaz lichefiat, dar presiunea gazului de deasupra fazei lichide se menine
aceeai. n consecin, de la punctul A1 izoterma bioxidului de carbon
devine un segment de dreapt pn la punctul B1, corespunztor strii n
care tot gazul s-a lichefiat. Comprimarea se exercit n continuare numai
asupra lichidului respectiv. Deoarece lichidele sunt foarte puin
compresibile, izoterma care pornete din punctul B1 este o dreapt aproape
paralel cu axa presiunilor.
Repetndu-se experiena la o temperatur mai nalt, se obine un
rezultat asemntor, cu deosebirea c segmentul liniar A2B2 este mai mic
dect segmentul A1B1. Cu ct temperatura la care se efectueaz
comprimarea este mai ridicat, cu att este mai mic segmentul liniar, de pe
izoterma respectiv.
Pentru o anumit temperatur, care la bioxidul de carbon este de 304K,
segmentul liniar al izotermei se reduce la un singur punct.
Izoterma corespunztoare se numete izoterm critic, volumul specific,
corespunztor acestui punct se numete volum critic, iar presiunea
respectiv este presiunea critic.
Dac se continu experiena comprimnd bioxidul de carbon la o
temperatur superioar temperaturii critice, izotermele capt aspectul unor
hiperbole echilatere, deci se aseamn cu izotermele gazelor ideale.
Aceste rezultate au fost obinute i cu alte gaze, putndu-se trage
urmtoarea concluzie: un gaz se poate lichefia prin comprimare, numai dac
temperatura lui este inferioar temperaturii critice, sau cel puin egal cu ea.
Izotermele lui Andrews arat c orice gaz se poate afla n stri
lichefiabile i n stri permanente (cnd gazul nu se poate lichefia).
Strile lichefiabile corespund izotermelor care au un segment liniar.
Punctele extreme ale acestor segmente se atern pe o curb, numit
curb de saturaie, care este tangent la izoterma critic, avnd maximul pe
aceast izoterm.
Toate punctele din interiorul curbei de saturaie reprezint stri de
38
echilibru dintre lichid i vaporii respectivi, deci stri neomogene.
Regiunea exterioar curbei de saturaie corespunde strilor omogene, n
care exist o singur faz.
Din analiza izotermelor lui Andrews, se observ c ntre lichide i gaze
nu exist o diferen esenial. Pe baza principiului continuitii strilor,
formulat de Andrews, starea lichid i starea gazoas nu sunt dect doi
termeni deprtai ai unei serii continui de stri.
Se poate trece de la starea gazoas la starea lichid n mod continuu,
sistemul meninndu-se tot timpul omogen. S considerm gazul n starea
reprezentat de punctul I0 aflat pe o izoterm inferioar celei critice
(Fig.1.15.). Printr-o nclzire izocor gazul trece n starea reprezentat prin
punctul M aflat pe o izoterm superioar celei critice. Comprimnd apoi
gazul n mod izoterm, se atinge starea reprezentat de punctul Q, a crui
ordonat este mai mare dect cea corespunztoare punctului critic. De aici,
prin rcire izobar, ajungem la starea reprezentat de punctul R, care este o
stare lichid, de pe o izoterm cu temperatura inferioar celei critice. Prin
urmare fluidul care sufer transformarea descris mai sus rmne tot timpul
omogen, deoarece s-a evitat trecerea prin strile corespunztoare
segmentelor liniare ale izotermelor, care reprezint stri lichefiabile. Invers
pornind de la starea lichid reprezentat de punctul R, se poate trece printr-o
nclzire izobar la starea gazoas reprezentat de punctul Q, realizndu-se
o succesiune de stri omogene. Fluidul trece astfel de la starea lichid la cea
gazoas, rarefiindu-se n mod continuu, obinndu-se astfel un lichid
rarefiat.
1.5.2. ECUAIA DE STARE A GAZELOR REALE
Ecuaia de stare a gazelor reale trebuie s fie dedus din ecuaia de stare
a gazelor ideale, n care se introduc dou corecii i anume corecia de
volum, datorit volumului propriu al moleculelor i corecia de presiune
datorit coeziunii moleculelor.
Necesitatea unei corecii de volum apare i din urmtoarele consideraii:
din ecuaia gazelor ideale scris, de exemplu, pentru un mol de gaz, se
39
deduce:
pRTV = (1.79)
ceea ce arat c, mrind presiunea suficient de mult, volumul gazului poate
fi redus orict. Dat fiind, ns, faptul c moleculele gazului au un volum
propriu, aceasta este evident imposibil. Volumul nu poate s scad sub o
anumit limit i ca atare, trebuie s avem:
bp
RTV += (1.80)
unde b constituie o corecie de volum, numit covolumul gazului.
Necesitatea coreciei b rezult i din liniaritatea ramurii din dreapta
a curbelor din figura 1.37.b, ceea ce conduce pentru aceast poriune de
curb la o ecuaie de forma:
pV=bp+c (1.81)
(b i c sunt constante) sau
p(V-b)=c (1.82)
Deoarece la presiuni mici i volume mari ecuaia trebuie s reprezinte
ecuaia unui gaz ideal, c=RT.
n acelai timp, prin comprimarea gazului, moleculele se apropie iar
forele de atracie intermoleculare cresc tinznd s micoreze i mai mult
volumul, de unde apare i necesitatea unei corecii de presiune. Ecuaia unei
astfel de poriuni de curb se poate scrie sub forma:
pV=C1-C2 p (1.83)
Deoarece la presiuni joase, deci cnd termenul b este neglijabil, gazul
se comport ca un gaz ideal, rezult c C1=RT. Relaia 1.83. devine:
pV=RT-C2p (1.84)
sau, cum n condiii apropiate de cele de gaz ideal, putem scrie:
=VRTp
rezult:
40
== V
aRTVRTCRTpV 2 (1.85)
cu a=C2RT.
Expresia (1.85.) se poate scrie:
RTVapV =+
sau
RTVVap =
+
2 (1.86)
Termenul 2'
=Vap joac rolul unei presiuni interne.
Combinnd cele dou corecii, de volum i de presiune, obinem ecuaia
de stare a gazelor reale pentru un volum de gaz sub forma:
RTbVVap
+
)(2 (1.87)
numit ecuaia lui Van der Waals. Ea nu are o valabilitate general, pentru
orice domeniu de temperatur i presiune, dar este cu mult mai exact dect
ecuaia gazelor ideale, pentru domenii de temperatur i presiune nu prea
ntinse.
Pentru moli de gaz ecuaia (1.87.) devine:
RTbVV
ap =
+ )(2
2 (1.88)
unde V=V/
Se observ c ecuaia gazelor ideale reprezint un caz limit ctre care
tinde ecuaia lui Van der Waals pentru presiuni joase deci pentru valori mari
ale volumului. n acest caz, poate fi neglijat termenul a/V2 fat de p si b
fa de V obinndu-se ecuaia de stare a gazului ideal.
Constantele a i b din ecuaia lui Van der Waals se pot determina cu
ajutorul valorilor critice Tc, pc i Vc.
41
Pentru a stabili relaiile dintre aceste mrimi, vom ordona termenii din
ecuaia lui Van der Waals pentru un mol de gaz, (eliminnd indicele ) dup
puterile descresctoare ale lui V. Obinem:
023 =+
+
pabV
paV
pRTbV (1.89)
care este o ecuaie de gradul al treilea n V.
Pentru o anumit temperatur i presiune, aceast ecuaie n V are trei
rdcini. Ele pot fi, fie toate reale i distincte, fie toate reale i confundate,
fie una real i dou complexe conjugate.
S aplicm aceast ecuaie strii critice, definit prin temperatura Tc i
presiunea critic pc. Deoarece pentru starea critic ecuaia are trei rdcini
reale i confundate, ea se mai poate pune i sub forma:
(V-Vc)3=0
aa nct:
3223
23
33 ccc
ccc
c
VVVVVV
pabV
paV
pRT
bV
+
+
+
(1.90)
de unde deducem:
cc
c Vp
RTb 3=+
23 cc
Vpa
= (1.91)
3c
cV
pab
=
Putem rezolva ecuaiile (1.91.) n raport cu a, b i R i obinem:
23 ccVpa = , 3cVb = ,
c
cc
TVpR
38
= (1.92)
Din ultima formul a grupului de relaii (1.92.) rezult:
ccc RTVp 83
= (1.93)
42
care reprezint ecuaia lui Van der Waals n punctul critic, pentru un kmol
de gaz real. n cazul unei mase m de gaz real, ecuaia (1.93.) devine:
ccc RTmVp
=83 (1.94)
1.5.3. IZOTERMELE LUI VAN DER WAALS
S discutm, pentru nceput, cazul unei izoterme Van der Waals
(teoretic) pentru o temperatur T1 mai mic dect Tc i s o comparm cu
izoterma experimental obinut de Andrews. Curba plin la T1 (Fig.1.16.)
reprezint izoterma experimental, iar curba punctat izoterma teoretic Van
der Waals.
Dup cum rezult din figura 1.16. n cazul izotermei Van der Waals
unei valori a presiunii p1 i corespund trei valori ale volumului V1, V2, V3
care reprezint cele trei rdcini reale ale ecuaiei lui Van der Waals.
Comparnd izoterma Van der Waals cu izoterma Andrews, rezult
urmtoarele:
- poriunile ab -stare lichid i fg - stare gazoas a celor dou izoterme
coincid;
-diferena se constat pe poriunea bf care descrie condensarea, deci n
sistemul neomogen bifazic i anume bf pentru izoterma Andrews (cea
experimental) i bcdef pentru izoterma Van der Waals, de altfel apariia n
aceast regiune a neconcordanei ntre cele dou izoterme nu trebuie s
surprind, deoarece prima (cea experimental) descrie stri neomogene
bifazice, n timp ce a doua numai sisteme omogene monofazice;
- punctele de pe poriunea cde a izotermei sunt puncte aparinnd unei
faze ce nu se realizeaz n natur, deoarece pentru sistemul aflat n aceast
faz, unei creteri a presiunii trebuie s-i corespund o cretere a volumului
sistemului i nu o micorare aa cum se ntmpl pentru toate sistemele
cunoscute experimental. Cu toate c un astfel de sistem nu a fost observat
experimental, el poate fi considerat ca o stare instabil a sistemelor reale;
43
Figura 1.16
- strile reprezentate prin poriunile bc i ef ale izotermei Van der
Waals sunt stri care se realizeaz experimental numai cu anumite precauii
i le vom numi metastabile, ntruct o variaie foarte mic a condiiilor lor
de realizare conduce la stri ale sistemului aflate pe dreapta de condensare
bf.
Strile de pe curba ef sunt cele n care sistemul rmne n stare gazoas
la presiuni mai mari dect cele necesare pentru apariia condensrii.
n aceste stri, vaporii saturani se afl la presiuni mai mari dect aa
numita tensiune maxim de vaporizare i vaporii n acest caz se numesc
suprasaturani.
Strile de pe curba bc sunt cele pentru care sistemul rmne sub form
de lichid, cu toate c presiunea la care se afl este mai sczut dect cea
necesar pentru ca lichidul s-i nceap fierberea i de aceea strile de pe
curba bc se numesc stri de supranclzire. Aceste stri n care se constat
existenta lichidului la presiuni mai mici dect cele la echilibru poart
numele de lichid rarefiat.
Din cele discutate rezult c izoterma Van der Waals reprezint strile
44
stabile, metastabile i instabile prin care trece un sistem fizic omogen la
variaia presiunii i volumului su.
Pentru o temperatur T2Tc suficient de nalt unei anumite presiuni pc
i corespunde o singur valoare Vc a volumului, rezultat din contopirea
celor trei valori V1, V2, V3. n cazul temperaturilor T3>Tc curba tinde s
devin o hiperbol echilater, ca n cazul izotermelor gazului ideal, acest
gaz corespunznd ultimei posibiliti a soluiilor ecuaiei (1.89) i anume o
soluie real i dou imaginare.
Aplicaii
1. Un vas cilindric deschis are diametrul cm10=D . La fundul vasului n
mijloc se practic un orificiu de arie 2cm1=s . Se toarn ap n vas cu un
debit constant sm104,1 34v=Q .
a). La ce nlime se va stabili nivelul apei n vas?
b). Odat atins nlimea stabilit la punctul anterior se oprete turnarea
apei. n ct timp se va goli vasul?
Re z o l v are : a) ghssQQ 2=== 1vv v1 (1)
m1,0108,92
1096,12 8
8
2
2v =
==
gsQ
h
b). 1v vdd
=
= st
hSQ
ghst
hS 2d
d=
tS
gshh d
2d-=
=t
h
tgSs
hh
0
0
d2d
tgSsh = 22
45
s118921021010143
2224
2
22
2
84
4
=
====
,,,
gshD
gs
hD
gstSt
2. Pe o suprafa orizontal se afl un vas cilindric cu lichid de densitate 3mKg900= i viscozitate 23 msN105,1 = .
Nivelul lichidului este meninut constant la nlimea cm55=h . Pe
suprafaa lateral este ,montat un tub orizontal de lungime cm10=l i raz
interioar mm1=r , la nlimea cm51 =h de la baz. S se afle distana pe
orizontal d msurat de la captul capilarului pn la punctul n care lichidul cade pe plan.
Rezolvare:
Se aplic legea Hagen-Poisenille
lprQ
=8
4
v (1)
( )l
hhgrQ
=
81
4
v (2)
Din ecuaia de continuitate rezult:
vvv ==2rsQ (3)
( )
lhhgr
8v 1
2 = (4)
tvd = (5)
21 21 gth = (6)
h h1
d
46
( )m37,0
8,91052
1010105,1810508,9900102
8d
2
23
2611
2
=
=
=
gh
lhhgr
3. S se calculeze presiunea datorat forelor de interaciune dintre mole-
culele de azot n condiiile n care densitatea azotului este 3mKg28= .
Se cunosc K126=cT , 25 mN106,33 =cp , KmolKg282 =N ,
KKmolJ8310 =R .
Rezolvare:
Expresia presiunii interne este:
2Vapi = (1)
Constanta a se exprim n funcie de parametrii punctului critic:
23 ccVpa = (2)
ccc RTVp 83
= (3)
222
6427
c
c
pTRa = (4)
=V (5)
21022
222
22
222
mN04,0106,3328
2812683106427
6427
=
=
=
c
ci p
TRp