Proprietatile lichidelor - Greutatea, Elasticitatea si compresibilitatea, Vascozitatea

Proprietatile lichidelor

1. Generalitati

Lichidele sunt corpuri cu un volum definit si care iau forma vasului in care se gasesc.

Pentru cerintele hidraulicii se coonsidera ca lichidele si in special apa sunt:

- continue, adica in masa de fluid considerata nu exista goluri din care sa lipseasca materia;

- omogene, adica in toate punctele sale corpul are aceasi compozitie chimica si aceasi densitate;

- izotrope, adica poseda aceleasi proprietati in toata masa lor;

- mobile, adica iau forma vasului care le contin, fara ca pentru aceasta sa intervina vreo forta afara de cea a gravitatiei. Mobilitatea sau fluiditatea depinde de temperatuara pe care lichidul o poseda;

- incompresibile, adica supuse la presiune intr-un vas complet inchis nu-si micsoreaza volumul, cea ce inseamna ca nu-si schimba densitatea sau greutatea specifica.

Calitatile amintite mai sus, care la prima vedere se pare ca le au toate lichidele, nu sunt riguros posedate decat de niste lichide ideale numite lichide perfecte. Lichidele au, anumite proprietati care, trebuie cunoscute pentru a se intelege mai bine fenomenele hidraulice. Printre aceste proprietati se citeaza: greutatea specifica si densitatea; tensiunea superficiala si capilaritatea; elasticitatea si compresibilitatea; vascozitatea; solidificarea; absortia; vaporizarea si fierberea.

2.Greutatea specifica si densitatea

Greutatea specifica este greutatea unitati de volum dintr-un corp. Ea se exprima in kgf/m3 sau

N/m3 adica g=G/V.

Densitatea sau masa volumica se exprima prin cantitatea de materie continuta de unitatea de volum, adica r=m/V(kgfs2m-4).

Greutatea specifica si densitatea variaza cu temperatura si presiunea.

In tabela 1 se dau, pentru apa, greutatea specifica si densitatea la diferite temperaturi si la presiunea de 760mm Hg.

Tabela 1

*) La 0sC γ = 997,87 si la + 4sC 1000 kgf/m³ deci la 4sC apa are densitatea cea mai mare.

Variatia greutatii specifice si a densitatii apei in raport cu presiunea este foarte mica si de aceea se neglijeaza: in calculele tehnice se ia γ = 1000 kgf/m³

3. Tensiunea superficiala si capilaritatea

Tensiunea superficiala ia nastere l asuprafata libera a lichidelor sau in suprafata de delimitare a doua fluide, putand fi ambele lichide sau unul lichid si celalalt gaz.

Valoarea tensiuni superficiale a apei in contact cu aerul este t = 0,0770 gfcm.la 0 C.

Datorita tensiuni superficiale, suprafata libera a lichidelor, la linia de contact cu peretii vaselor, se curbeaza, fie in sus, fie in jos, din cauza fortelor de aderenta si de coeziune.

Daca aderenta dintre particulele de lichid si peretii vasului este mai mare decat coeziunea, atunci suprafata lichidului ia forma curba, cu concavitatea in sus, formand un menisc concav.

Cand aderenta este mai mica decat coeziunea , suprafata lichidului ia forma curba in jos si formeaza un menisc convex.

Aceste fenomene se constata, practic prin introducerea tuburilor capilare in apa si in mercur.

Tuburile cu diametrul sub 3      mm se considera tuburi capilare.

Daca se introduce un tub capilar in mercur se formeaza un menisc convex, iar in apa un menisc concav (fig. 1).

Experimental se poate demonstra ca apa dintr-un tub capilar se ridica mai sus decat nivelul din vas H= 30/d mm, d fiind diametrul tubului capilar. Aceasta dovedeste ca adeziunea este mai mare decat coeziunea.

4. Elasticitatea si compresibilitatea

Lichidele sant mai compresibile decat. Apa, de exemplu, este mai compresibila de 100 de ori decat fierul. Daca un litru de apa se supune la o presiune de 1 kgf/cm volumul se reduce cu 0,000047 litri. Aceasta valoare reprezinta coeficientul de compresabilitate a apei. In afara de cateva cazuri ca folosirea apei la presele hidraulice, aparitia loviturile de berbec in conducte, lichidele se considera incompresibile.

Un litru de apa la o adancime de 1000 m, sub nivelul marii, s-ar reduce cu 4,4 cm³.

Pentru presiuni sub 700 at coeficientii de compresabilitate ai lichidelor raman aproape constanti, insa peste 700 at ei variaza cu presiunea.

Fata de valoarea scazuta a coeficientilor de compresabilitate, intre anumite limite de presiune, lichidele pot fi considerate incompresibile si fara elesticitate. Lichidele au fost considerate vreme indelungata incompresiile si aceasta, atat timp cat nu s-au putut realiza presiuni de mii si zeci de mii de atmosfere si cat timp tehnica nu a gasit nici un fel de aplicatie, care sa foloseasca compresibilitatea si elesticitatea lichidelor. In ultimul timp insa s-au facut diferite inventii, care au dat prilejul ca hidraulica sa se intregeasca cu un nou capitol denumit sonicitatea.

5. Vascozitatea

Coeziunea constitue forta de legatura care se opune separarii particulelor corpurilor. Cu cat aceasta forta este mai mare cu atat fluidul este mai vascos si in acest caz scurgerea se face mai greoi.

Aceasta proprietate pe care o au unele fluide de a nu curge cu usurinta, de a nu fi mobile, se numeste vascozitate.

Vascozitatea se masoara cu aparatul numit vascozimetru; dinte aparatele intrebuintate amintim aparatul Engler, de forma unei palnii prevazuta cu un orificiu calibrat. Durata de golire a fluidului determina vascozitatea in grade Engler. Valoarea este data de raportul dintre durata t de scurgere a fluidului respectiv prin acest aparat si durata t1 de scurgere a aceluiasi volum de apa la 20 grade C. Adica E= t/t1.

6. Coriziuni si cavitati

Cavitatile se produc in campurile de curgere ale lichidelor, in special a apei, in anumite locuri ca: coturi; curburi de palete ale pompelor centrifuge, sifoane automate, aspiratoare etc. unde viteza creste atat de mult, incat presiunea in lichid scade ajugand la presiunea de vaporizare.

In aceste conditi lichidul isi pierde consistenta si se formeaza goluri umplute cu aer si gaze.

In cavitatile create , oxigenul in stare nascanda este farte activ si oxideaza peretii sau corpurile din metale, mai lent la fonta si mai intens la hotel.

Fenomenul se cheama coroziune hidrodinamica si are ca efect perforarea materialului, care devine spongios.

La pompe aparitia acestui fenomen creaza multe neplaceri, deoarece cavitatia produce vibratii, scade randamentul masinii, iar coroziunea, ca efect secundar, distruge materialul.

7. Solidificarea (inghetul)

Apa chimic pur inghetata in stare de repaus la 0 C. Apa de rau impura ingheata la temperatura de la -0,2 C la -1 C, iar cea de mare de la -2,5 C la -5 C.

Intotdeauna inghetul apei incepe de la margine spre mijloc si de la suprafata spre interior. La apele in miscare inghetul intarzie; el se produce prin depunerea pe fund a acelor cristale de gheata care antrenate distrug, prin frecare si rostogolire , conducte, pompe, instalatii, etc.

Gheata are la suprafata si la 0 C greutatea specifica de 917kgf/m3, iar la adancime este ceva mai mare, ajungand la 1000 kgf/m3.

Caldura de topire a ghetii este de 79,25 kcal/kgf.

8.Absorbtia gazelor

In contact cu aerul sau alte gaze, lichide pot dizolva cantitati mici, variabile, de gaze fara a-si mari volumul, indiferent de presiunea si si temperatura la care se gasesc.

Apa se dizolva , de exemplu , la presiune si temperatura obisnuita aproximativ 2% aer. Daca temperatura creste, cantitatea de aer dizolvata scade , astfel la 83,5 grade C si la presiunea de o atmosfera apa se dizolva numai 1,49% aer.

9.Vaporizarea

Trecerea unui lichid in stare de vapori se numeste vaporizare.

Pentru ca un corp solid sa ajunga in stare de vapori, trebuie mai intai sa treaca in stare lichida, afara de unele exceptii, cand fenomenul de trecere directa din stare solida in stare de vapori se numeste liofilizare.

Vaporizarea se poate face fie prin evaporare, fie prin fierbere.

Evaporarea se produce numai la suprafata lichidului si are loc la orice temperatura. Ea se produce cu atat mai intens cu cat suprafata lichidului este mai mare, temperatura lichidului mai ridicata si vaporii emenati de lichid sant inlaturati mai repede.

Intr-un vas inchis, spatiul deasupra lichidului este saturat de vapori. Vaporii care nu au ajuns in stare de echilibru se numesc vapori nesaturati. Fenomenul evaporarii este usor de inteles. Se stie ca moleculele unui lichid se gasesc intr-o continua miscare, viteza mai mare, ele reusind sa se desprinda de lichid devenind molecule de vapori. Cu cat suprafata este mai mare cu atat se desprinde un numar mai mare de molecule si prin urmare evaporarea se face mai repede.

Intr-un vas inchis, la inceputul evaporarii, numarul de molecule care se desprind de lichid este mai mare decat numarul de molecule care reintra in lichid. Pe masura insa ce numarul moleculelor de vapori creste , se mareste si numarul moleculelor ce reintra in lichid. La un moment dat se ajunge la situatia cand numarul de molecule care se desprind devine egal cu numarul de molecule care reintra in lichid. Din acest moment, cantitatea de vapori ramane constanta, vaporii devenind saturati. Rezulta deci ca vaporii saturati sant vapori care se gasesc in echilibru cu lichidul din care s-au formmat.

Presiunea vaporilor saturati este constanta si nu depinde de volumul ocupat, insa ea creste odata cu ridicarea temperaturii.

La temperatura de fierbere intr-un vas deschis, presiunea vaporilor saturati este egala cu presiunea atmosferica. Daca fierberea se face intr-un vas inchis , presiunea vaporilor saturati este egela cu presiunea existent in acest vas.

Lichidele nu se evapora toate cu aceeasi viteza. Cu cat presiunea exercitata asupra unui lichid se micsoreaza, cu atat viteza de evaporare creste. Deci cea mai mare viteza de evaporare va putea fi obtinuta in vid.

Pentru a se produce vaporizarea este necesara o anumita cantitate de caldura.

Cantitatea de caldura necesara unui gram de lichid care sa se transforme in vapori, fara ca temperatura sa se schimbe, se numeste caldura de vaporizare.

Caldura de vaporizare scade cu cresterea presiunii si devine nula la presiunea critica. La aceasta presiune, trecerea din starea de lichid saturat in stare de vapori saturati uscati se face brusc, fara consum de caldura, de schimbare de faza si fara modificarea volumului specific al fluidului.

Egalitatea dintre temperatura lichidului care se vaporizeaza si temperatura vaporilor formati, respectiv cea dintre presiunea lichidului si presiunea vaporilor, constitue o situatie limita de echilibru.

In tehnica in procesele de vaporizare temperatura lichidului este cu putin mai ridicata decat a vaporilor. Aceasta diferenta relativ mica ca valoare creste substantial in stratul de lichid gros de 2-5 mm, de linga suprafata de incalzire.

10.Fierberea

Trecerea unui lichid in stare gazoasa prin formare de vapori in tot cuprinsul sau se numeste fierbere.

Cu cat un lichid se fierbe la atitudini mai mari cu atat temperatura lui de fierbere este mai mica. Se stie ca la presiune normala apa fierbe la 100sC. La atitudini mari apa fierbe la 95sC, 90sC si chiar la 85sC.

Daca presiunea aerului se mareste, lichidul va fierbe la o temperatutra mai inalta decat aceea a punctului de fierbere normal.

La presiunea constanta un lichid fierbe intotdeaunala aceeasi temperatura care ramane neschimbatat timp cat are loc fierberea. Aceasta temperatura se numeste temperatura de fierbere sau punct de fierbere.

Fierberea se produce in momentul cand presiunea vaporilor saturati devine egala cu presiunea exterioara. Punctul de fierbere al lichidelor depinde in primul rand de natura lichidului, apoi de starea lui de puritate, de gazele dizolvate in lichid etc, pe cand temperatura vaporilor formati din lichidul care fierbe nu depinde de acesti factori. Din aceasta cauza, ca punct de fierbere a unui lichid se ia temperatura vaporilor sai in timpul fierberii.

Volumul vaporilor, care se formeaza prin fierbere, este mai mare decat volumul lichidului din care a luat nastere.

Astfel 1kg de vapori de apa la 100sC are un volum care este de 1730 ori mai mare decat acela al apei din care au provenit. Sub presiune, apa poate fiebe si la temaperaturi mai ridicate de 100sC. de exemplu, pentru unele industrii chimice se folosesc autoclave in care apa fierbe la +300sC.

11.Apa

Dintre toate lichidele din natura apa ocupa locul cel mai important, atat ca agent fizic cat si ca agent chimic. De asemenea este cel mai utilizat agent stingator. Pentru aceasta se vor descrie in continuare proprietatile apei ca mijloc de stingere a incendiilor.

Oricat de important sunt progresele obtinute in domeniul celor mai eficienti agenti stingatori, apa este si poate va ramane totdeauna mijlocul de stingere cel mai raspandit. Acesta se datoreaza faptului ca ea ofera cele mai bune conditii de intrebuintare si anume usor de procurat, pret redus, mare putere de racire si este absolut nevatamatoare.

Se stie ca procesul de ardere nu poate avea loc decat daca exista un material combustibil, oxigen si caldura necesara aprinderii combustibilului respectiv.

In cazul cand lipseste unul dintre aceste trei elemente arderea nu mai este posibila.

Apei ca agent de stingere I se cere sa elimine cel putin unul dintre cele trei elemente.

Efectul de stingere ce se obtine prin intrebuintarea apei se realizeaza prin:

- racire;

- izolarea suprafetei incendiate de oxigenul din aer;

- actiunea mecanica (in special in cazul folosirii apei sub forma de jet compact).

Efectul principal la stingerea cu apa consta in racirea materialului care arde.

Pentru a cobora temperatura materialelor aprinse este necesar ca jetul de apa se absoarba caldura care contribuie la dezvoltarea incendiului. Aceasta caldura provine de la corpuri incandescente si de la flacari.

Se stie ca un kilogram de apa transformata in vapori absoarbe 639 kcal.

Ce se intampla daca asupra focarului se arunca un jet de apa compact ? Intr-un asemenea caz, jetul se faramiteaza in particule destul de mari si aproape 70% din cantitatea de apa ramane nefolosita, scurgandu-se in afara focarului.

De exemplu, prin aruncarea unui litru de apa sub forma de jet compact asupra focarului se produc picaturi mari care au in total o suprafata superficiala de 1 m; la formarea unor picaturi cu diametrul de 1 mm suprafata se mareste la 6 m. Cu cat se obtin si se folosesc picaturi de dimensiuni mai mici, cu atat suprafata lor totala creste. Asa de exemplu, la diametrul picaturilor de 0,1 mm suprafata totala a picaturilor obtinute dintr-un litru de apa ajunge la 600 m.

Dimensiunile picaturilor de apa au o mare importanta practica. Pe timpul interventiilor la incendii este necesar ca o cat mai mare cantitate de apa sa ajunga la focar, sa ramana acolo pana la evaporare completa. Picaturile de apa poseda enegie cinetica care le da posibilitatea sa se deplaseze cu o anumita viteza catre focar.

Particulele de apa, ca sa patrunda in zona de ardere a materialului pana in imediata apropiere a focarului, trebuie sa aiba o viteza suficienta, capabila sa asigure strabaterea stratului de fum, de gaze calde si flacari, pentru a se putea evapora cat mai aproape de obiectul care arde.

Capacitatea de patrundere a apei in focarul incendiului depinde de dimensiunile picaturilor, de presiunea dinamica a jetului de miscarea curentilor de aer si a produselor de ardere, de viteza de miscare a picaturilor, de gradul de evaporare a apei in zona flacarilor, de capacitatea apei de a prelua caldura de la suprafata materialului care arde si de proprietatile materialelor combustibile aprinse.

Contactul apei cu materialul aprins constituie primul efect de stingere, iar saturarea spatiului inconjurator cu vapori de apa al doilea efect.

Daca o picaturi de apa traverseaza lent masa de fum si de abur se poate evapora chiar in intregime, urmand ca vaporii astfel obtinuti sa se indeparteze impreuna cu masa de fum emanata din focar, inainte de a avea o actiune de racire asupra materialului aprins.

Chiar daca vaporii absorb o anumita cantitate de caldura de la fum si nu exercita vreo actiune de racire asupra focarului, fenomenul avand loc in afara zonei de influenta a acestuia. De aceea este necesar ca picaturile de apa sa formeze o masa cu o viteza suficienta pentru a fi in stare sa traverseze rapid zona de fum, de caldura, sa ajunga la focar si sa exercite actiunea de racire.

Efectul de stingere este cu atat mai puternic cu cat se evapora mai multa apa.

Aceasta afirmatie se poate ilustra cu urmatorul exemplu: pentru a face sa fiarba un litru de apa, avand temperatura initiala de 10sC, este nevoie de 90 kilocalorii, iar pentru evaporarea completa de alte 539 kilocalorii.

Deci un litru de apa la 10sC are nevoie pentru evaporare completa de 629 kilocalorii, formandu-se circa 1600 - 1700 l abur.

Daca se intervine cu o teava C avand un debit de 200 l/minut si daca numai a treia parte din cantitatea de apa utilizata actioneaza cu eficacitate, atunci se produce o absorbtie de caldura din focarul incendiului de 42000 kilocalorii pe minut. Deci caldura luata corpului care arde se consuma pentru incalzirea apei si transformarea ei in vapori, urmarea fiind reducerea relativa a temperaturii in apropierea nemijlocita a focarului.

Apa transformata in vapori limiteaza accesul oxigenului din aerul inconjurator, care constituie elementul principal pentru intretinerea arderii.

Ca o concluzie, referitor la actiunea de stingere a apei, se arata ca efectul maxim de racire se atinge atunci cand apa se intrebuinteaza sub forma pulverizata sau sub forma de ceata, deoarece se creeaza posibilitatea transformarii ei in vapori aproape in intregime.

Un jet de apa pulverizata absoarbe mai multe calorii decat un jet compact.

Apa pulverizata provoaca mai putine pagube, in urma folosirii ei la stingere.