流體的體積隨所受壓力的變化而變化的性質稱為可壓縮性。壓力對液體體積的影響非常小,而對氣體體積的影響則非常顯著。氣體的可壓縮性遠大于液體,不能忽略,而且氣體體積的變化應服從氣體狀態方程。在工程技術中,常常遇到的是等溫變化過程和等變化過程。
需要說明的是,油液中通常會混有一定量的空氣,并以直徑(diameter)為0.25-0.5毫米的氣泡狀態懸浮在油液中,使油液的體積彈性模量及黏度下降,從而影響液壓系統的工作性能。此外,還會有一部分空氣溶解在油液內,此時空氣對油液的影響很小,但當壓力降低或溫度升高時,溶解氣體可以分離出來,這不僅是導致液壓系統產生氣蝕的重要原因,氣體還將極大地改變液體的可壓縮性。
液體
液體受壓力的作用而使體積發生變化的性質稱為液體的可壓縮性。體積為V的液體,當壓力的變化量為△P時,體積的絕對變化量為△V,液體在單位壓力變化下的體積相對變化為:
式中,k—液體的壓縮系數。
由于壓力增大時液體的體積減小,因此上式的右邊必須加一負號,以使k值為正。液體的壓縮系數的倒數稱為液體的體積彈性模量,簡稱體積模量,用K表示。即:
體積彈性模量K表示液體產生單位體積相對變化量時所需要的壓力增量。在使用中,可用K值來說明液體抗壓縮能力的大小。一般礦油型液壓油的體積彈性模量K=(1.2~2)× MPa。它的可壓縮性是鋼的100~50倍。但在實際使用中,由于在液體內不可避免的會混入空氣等原因,其抗壓縮能力顯著降低,這會影響液壓系統的工作性能。因此,在有較高要求或壓力較大的液壓系統中,應盡量減少油液中混入的氣體及其他易揮發(如煤油、汽油等)的含量。由于油液中的氣體難以完全排除,在工程計算中常取液壓油的體積彈性模量為K=0.7× MPa左右。
氣體
流體的可壓縮性也可以通過定義可壓系數k來表達:
式中,V為流體控制單元體積;p為控制單元周邊對其的壓力??蓧嚎s系數τ根據壓縮過程中的情況可定義為等溫可壓系數與等熵可壓系數。
可壓系數k為流體的重要特性。一般地,液體的可壓系數非常小,如常壓下水的等溫可壓系數為5× Pa,而氣體則為 Pa,比水大4個數量級以上。對于單位質量的流體,則V變為比容,而密度ρ=1/V,因此上式變為:
式中,density=ρ,因此,當流體收到外力dp 時,其相應的體積變化為dρ=ρτdp。流體因受力而產生流動時,會使其壓力發生變化。特別對于高速流,壓力梯度變化較大。對于液體而言,其密度變化較小,但氣體的密度變化則較大。因此,液體較高的壓力梯度在密度變化不大的情況下會產生高速流動,此類流動常視為不可壓流動。而氣體因為τ較大,較大的壓力梯度則可導致密度的變化,同時產生大速度流動,此類流動則視為可壓流動。
壓縮性與膨脹性
流體的可壓縮性如第一部分所述,壓縮系數k與體積彈性模量K都是其重要參數。
流體的膨脹性用熱脹系數αT表示。壓強一定時,若流體的體積為V,當溫度升高dT后,體積增加dV,則熱膨脹系數αT定義為
αT的單位是1/K。
因為流體的密度和溫度、壓強有關,即
ρ=ρ(p,T)
由此得到密度隨壓強和溫度的變化量,即
密度的相對變化率
由流體的可壓縮性和膨脹性的定義,可以給出壓縮系數k和熱脹系數αT的另一種表達式:
參考資料 >