Статика текучего тела

Методическое пособие - Физика

Другие методички по предмету Физика

; характеристическое уравнение r = f.

Связь между плотностью, давлением и температурой устанавливает уравнение состояния газа:

 

r = или = R T или pVуд = R T,

 

где р - абсолютное давление, Па;

Т - абсолютная температура, К. Т =;

Vуд - удельный объём;

R - удельная газовая постоянная, различная для разных газов, но не зависящая от температуры и давления, Дж/;

r - плотность, кг/м3.

В случае изотермного процесса изменение давления и объёма газа происходит при поддержании одной и той же температуры. Уравнение состояния определяется законом Бойля-Мариотта:

 

= const или pVуд = const.

 

Адиабатный процесс представляет собой случай изменения давления в условиях отсутствия теплообмена. Уравнение адиабаты имеет вид:

 

= = … = = const,

 

где k - показатель адиабаты.

Общим случаем является политропный процесс. Уравнение политропы записывается в виде:

 

= = … = = const,

 

где n - показатель политропы.

В связи с указанными вариантами характеристического уравнения рассмотрим закон распределения давления в следующих трёх предположениях:

а) плотность постоянна при небольшой высоте столба газа;

б) плотность изменяется, подчиняясь изотермному закону;

в) плотность изменяется по уравнению политропы.

Расположим координатную систему так, чтобы оси 0x и 0y были горизонтальны, а ось 0z была направлена вертикально вверх. Тогда для жидкости в поле земного тяготения проекции ускорения массовой силы на координатные оси равны:

 

X = gx = 0; Y = gy = 0; Z = gz = - g,

 

где gx, gy и gz - проекции ускорения g по координатным осям.

Тогда из основного дифференциального уравнения гидростатики имеем:

 

dp = - r g dz

 

Распределение давления при небольшой высоте столба газа

Запишем уравнение в виде + g dz = 0 и проинтегрируем с учётом r = const. Подучим:

 

+ g z = С,

 

Постоянная интегрирования С определяется из условий на границе. Если на некоторой заданной высоте z0 известно давление р0, то подставляя эти значения в уравнение найдём

 

С = + g z0.

Следовательно,

 

+ g z = + g z0

или

= + g .

 

Из этого уравнения видно, что давление убывает с увеличением высоты расположения данной точки.

Таким образом, при небольшой высоте столба газа и постоянной плотности r распределение давления аналогично таковому для капельной жидкости.

Распределение давления при изотермном процессе

По уравнению состояния r = . В этом случае основное дифференциальное уравнение получит вид

 

dp = - r g dz = - g dz

 

или после разделения переменных

 

g dz = - R T .

 

Интегрируя это уравнение при R T = const, находим

 

g = - R T = R T = R T .

Обозначая = h, где h - превышение интересующей нас точки 2 над точкой 1, то же уравнение запишем в виде

 

g h = R T или g z1 + ln p1 = g z2 + ln p2.

 

Давление газа по высоте с учётом его сжимаемости в изотермных условиях распределяется по логарифмическому закону.

Эта же зависимость может быть представлена в такой форме:

 

= или р2 = р1

 

Отсюда видно, что изменение давления при изменении высоты следует экспоненциальному закону. При h > ? р > 0.

Распределение давления при политропном процессе

В этом случае из уравнения политропы r = r0 . Делая подстановку в основное дифференциальное уравнение гидростатики, получим

 

dp = - r g dz = - r0 g dz,

откуда

dz = - .

 

Интегрируя, получим

= = =

= .

 

Из уравнения политропы можно записать

 

= и = .

 

С учётом этой записи предыдущее выражение принимает вид

 

= .

 

Мы получили уравнение, которое определяет закон распределения давления при политропном процессе:

 

g z1 + = g z2 +

 

или в более общей форме

 

g z + = g z +

 

Для адиабатного процесса, заменяя показатель политропы n на показатель адиабаты k, имеем

g z + = g z +

 

Распределение температуры

Пользуясь формулой, можно составить уравнение, определяющее собой закон распределения температуры в покоящейся газовой среде.

По уравнению состояния имеем

 

= R T1 и = R T2.

 

Подставляя эти значения в уравнение, найдём

 

g z1 + R T1 = g z2 + R T2,

 

что и представляет собой закон распределения температуры.

Обозначая буквой h разность, находим

 

R T2 = R T1 - h g,

откуда

Т2 = Т1 - h g.

 

Из формулы следует, что изменение температуры по высоте происходит по линейному закону.

Для адиабатного процесса, подставляя вместо показателя политропы n на показатель адиабаты k, имеем

 

Т2 = Т1 - h g.

 

Для воздуха показатель адиабаты k равен 1,4, а удельная газовая постоянная R = 287,14 Дж/. Тогда из уравнения получим

 

Т2 Т1 - 0,01 h.

 

Отсюда видим, что с увеличением высоты на 100 м температура воздух?/p>