Vedelike füüsikalised omadused

Vedelikel on hulk füüsikalisi omadusi, mille arvväärtused erinevad gaaside ja tahkete kehade omast. Vedelik on kindla ruumalaga, kuid kindla kujuta aine. Selles suhtes sarnaneb vedelik gaasiga, et ta võtab selle anuma kuju, milles asub. Teisalt on vedelikku raske kokku suruda ja selle poolest on ta tahke aine moodi. Jahtumisel vedelik tahkub, piisaval kuumenemisel aga läheb üle gaasilisse olekusse.

Teoreetilistes mõttekäikudes rakendatakse sageli ideaalse vedeliku mudelit, kus vedelik loetakse täiesti kokkusurutamatuks ja liikumine hõõrdevabaks.

Vedelike peamised füüsikalised omadused

Tihedus ja erikaal

Tiheduse ühikuks on kg/m³. Tihedus näitab vedeliku ruumalaühiku massi. Põhivalem on $\rho =\frac{m}{V}$, kus $\rho$ on vedeliku tihedus, $m$ vedeliku mass ja $V$ vedeliku ruumala.

Erikaal on vedeliku ruumalaühiku kaal. Selle ühik on N/m³ ning põhivalem on $\gamma =\rho g=\frac{F_g}{V}$, kus $\gamma$ on vedeliku erikaal, $\rho$ vedeliku tihedus, $g$ raskuskiirendus, $F_g=mg$ raskusjõud ja $V$ vedeliku ruumala. Tihedus ja erikaal olenevad vedeliku liigist, temperatuurist ja vedelikule mõjuvast rõhust.

Kokkusurutavus

Nagu muidki aineid, saab vedelikku kokku suruda, kuid gaasiga võrreldes vaid tühisel määral. Kokkusurutavust iseloomustab kokkusurutavustegur ${\beta }_v$, mille pöördväärtust nimetatakse mahtelastsusmooduliks tähisega K( Pa⁻¹).

${\beta }_v=\frac{1}{K}=-\frac{dV}{V_{0}dp}$, kus $V_0$ on vedeliku algruumala ning $dV$ ruumala muutus, kui rõhk muutub $dp$ võrra. Miinusmärk tuleneb sellest, et rõhu suurenedes vedeliku maht väheneb.

Temperatuurivahemikus 0–30 °C on vee elastsusmoodul K = 1980–2250 MPa. See tähendab, et rõhu suurenedes 0,1 MPa võrra väheneb vee maht ligi 1/20 000 võrra üsna suures rõhuvahemikus. Ka teiste vedelike kokkusurutavus on samas suurusjärgus. Et see on üsna vähene, loetakse arvutustes tavaliselt vedelik kokkusurutamatuks. Erandiks on vaid hüdrauliline löök.

Soojuspaisumine

Rõhk MPa	Vee ruumpaisumistegur 10–6·K–1 temperatuuril
	1–10 °C	10–20 °C	40–50 °C	90–100 °C
0,1 (õhurõhk)	14	150	422	719
9,8	43	165	422	714
19,6	72	183	426	–

Soojuspaisumine on vedeliku ruumala ja seega tiheduse muutumine sõltuvalt temperatuurist jääva rõhu all. Seda iseloomustab ruumpaisumistegur, mille tähis on ${\beta }_t$ ja ühik on K⁻¹. ${\beta }_t=\frac{dV}{V_{0}dt}$, kus $V_0$ on algmaht ja $dV$ vedeliku ruumala muutus temperatuuri muutumisel $dt$ võrra eeldusel, et rõhk ei muutu. Vee ruumpaisumisteguri väärtused on kõrvalolevas tabelis, mis kujutab vee ruumpaisumisteguri ${\beta }_t$ väärtuse sõltuvust rõhust ja temperatuurist.

Sellest tabelist on ka näha, et temperatuurivahemikus 0–20 °C muutub tihedus tühiselt vähe, alla 0,5%. Seevastu kuuma vee paisumist peab arvestama, sest vahemikus 0–100 °C muutub vee tihedus ja seega maht ligikaudu 5%.

Viskoossus

Viskoossus on vedeliku omadus takistada oma osakeste liikumist üksteise suhtes. Laminaarselt liikuva vedeliku kihtide vahel tekib viskoossusest põhjustatud hõõrdejõud, mida kirjeldab Isaac Newtoni valem $F_{\nu }=\mu A\frac{du}{dz}$, kus $\mu$ on vedelikku iseloomustav dünaamiline viskoossus (Pa), $A$ naaberkihtide kokkupuutepindala ja $\frac{du}{dz}$ kihtidevaheline kiiruse gradient, sest naaberkihid saavad omavahel hõõrduda vaid siis, kui nad liiguvad eri kiirusega.

Kui hõõrdejõud $F_{\nu }$ jagada hõõrdepinnaga A, saadakse hõõrdepinge ehk tangentsiaalpinge τ: $\tau =\mu \frac{du}{dz}$.

Hüdraulikaarvutustes eelistatakse dünaamilisele viskoossusele sageli kinemaatilist viskoossust $\nu$ (m²/s).

$\nu =\frac{\mu }{\rho }$, kus $\rho$ on vedeliku tihedus. Kinemaatilist viskoossust avaldati varem CGS- süsteemi ühikutes: stooksides (St): 1 St = 1 cm²/s = 10⁻⁴ m²/s.

Mõlemad viskoossused olenevad vedeliku liigist, temperatuurist ja rõhust ning määratakse katseliselt viskosimeetri abil. Vedeliku soojenedes viskoossus väheneb, rõhu tõustes suureneb. Kuna rõhu toime avaldub ainult väga suurte rõhumuutuste puhul, siis seda tavaliselt ei arvestata.

Vee kinemaatilist viskoossust saab arvutada J. Poiseulle'i valemist $\nu =\frac{0,0178\cdot 10^{-4}}{1+0,0337t+0,000221t^2}$, kus t on temperatuur Celsiuse kraadides.

Kui näiteks olmereovee heljumisisaldus $B_h$ ≤ 600 mg/l ja temperatuur t = 2–50 °C, saab selle kinemaatilise viskoossuse (m²/s) arvutada N. Fjodorovi valemiga ${\nu }_{reovesi}=\nu +\frac{2\cdot 10^{-8}{B}_h}{t^2}$, kus $\nu$ on sama temperatuuriga puhta vee viskoossus.

Mineraalõli viskoossuse olenevust rõhust vahemikus 0–50 MPa kirjeldab valem ${\nu }_{ap}={\nu }_a(1+kp)$, kus k = 0,02–0,03 ja ${\nu }_a$ on mineraalõli viskoossus normaalsel atmosfäärirõhul.