1. Trang Chủ
  2. Môi trường
  3. Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 2

Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 2

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.... (ML -1T-1)  = hÖ sè nhít ®

Thể loại Tài liệu miễn phí Môi trường

Số trang 9

Ngày tạo 8/29/2018 11:44:03 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.33 M

Tên tệp

Tải Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. (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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học