Лекция 1
1. Введение в механику жидкости и газа
План лекции
1.1. Науки и технические дисциплины, изучающие поведение жидкостей и газов.
1.2. Основные понятия механики жидкости и газа.
1.3. Необходимые сведения из равновесной термодинамики.
1.3.1. Параметры состояния термодинамического тела. Уравнения состояния.
1.3.2. Первый закон термодинамики.
1.3.3. Понятие теплоемкости.
1.3.4. Функции состояния.
1.3.5. Второй закон термодинамики.
1.3.6. Функции процесса.
1.3.7. Скорость звука.
1.1. Науки и технические дисциплины, изучающие поведение жидкостей и газов
Механика, являясь частью физики, изучает общие закономерности, связывающие механические движения и взаимодействия тел, находящихся в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Различное состояние тел определяет разделение механики на различные области.
В механике твердого тела рассматриваются абсолютно твердые и деформируемые тела; последние, в свою очередь, разделяются на упругие и пластичные. Изучением законов движения абсолютно твердых тел занимается теоретическая механика, а упругих и пластичных – соответственно теория упругости и теория пластичности. Поскольку все тела рассматриваются здесь как сплошная среда, науку, изучающую законы их движения, часто называют механикой сплошной среды.
Законы движения и покоя жидкостей или газов изучает один из разделов механики сплошной среды – механика жидкостей и газов или гидромеханика.
Механика жидкостей и газов находит применение в большинстве отраслей техники и для многих из них является теоретической базой. К числу последних относятся авиация, кораблестроение, энергомашиностроение, атомная энергетика, гидротехническое строительство и гидроэнергетика, водоснабжение и канализация, теплотехника, водный транспорт и др. Значительна роль этой науки в химической технологии, легкой промышленности, автоматике, физиологии, метеорологии. Для каждой из этих отраслей характерен свой круг гидромеханических задач и соответствующих методов их решения. Однако все они основываются на общих законах движения и покоя жидкостей и газов, а также на некоторых общих методах описания гидромеханических явлений.
Рис. 1.1. Науки и технические дисциплины, изучающие поведение жидкостей и газов
Механика жидкостей и газов, так же как и другие области механики, разделяется на статику, кинематику и динамику (см. рис. 1.1.). Часть гидромеханики, изучающая условия равновесия жидкостей и газов, называется гидростатикой. Кинематика жидкостей и газов изучает их движение во времени, не интересуясь причинами, вызывающими это движение. Предметом изучения гидродинамики являются законы движения жидкостей и газов. Газовая динамика – изучает движение газов с учетом их сжимаемости. Вычислительная гидрогазодинамика – наука, использующая для расчета течения жидкости или газа математическое моделирование и численные методы для решения (на ЭВМ) уравнений модели.
Таким образом, в общем случае поведение жидкостей и газов в различных физических процессах изучает достаточно строгая и сложная по используемому математическому аппарату наука – гидромеханика и ее разделы.
В зависимости от теоретической или прикладной направленности употребляются наименования теоретическая и техническая или прикладная гидромеханика.
Техническая механика жидкости называется гидравликой и представляет собой прикладную инженерную науку, изучающую законы равновесия и движения жидкости и разрабатывающую на основе теории и эксперимента приближенные методы расчета течения жидкостей в трубах и каналах.
Это старейшая инженерная наука. Первый научный труд – трактат Архимеда «О плавающих телах» появился в Древней Греции за 250 лет до н.э.