第2章 体的性质
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第2课时 一种重要的混合物——胶体[知 识 梳 理]知识点一 分散系及其分类美酒、牛奶、奶昔都是美味饮料,但是它们的存在状态有所不同,它们本质上是否有所不同?请完成下列知识点: 1.概念分散系:把一种(或几种)物质(分散质)分散在另一种物质(分散剂)中所得到的体系。
由分散质和分散剂构成。
例:溶液分散系⎩⎪⎨⎪⎧溶质↔分散质溶剂↔分散剂2.分类(1)按照分散质或分散剂的状态共分为九种分散系:(2)按照分散质粒子直径大小分类:常见的浊液⎩⎪⎨⎪⎧悬浊液乳浊液知识点二 胶体的制备和性质三角洲是如何形成的?为什么会形成三角洲?带着这个问题完成下列知识点: 1.性质(1)介稳性:胶体的稳定性介于溶液和浊液之间,在一定条件下能稳定存在,属于介稳体系。
(2)丁达尔效应。
①当可见光束通过胶体时,在入射光侧面可以看到一条光亮的“通路”,这是由于胶体粒子对光线散射形成的。
②应用:区分胶体和溶液。
(3)电泳现象:胶体粒子带有电荷,在外电场的作用下发生定向移动。
胶粒带电,但胶体不带电(4)聚沉现象:胶体形成沉淀析出的现象。
2.Fe(OH)3胶体的制备3.应用(1)利用其介稳性:制涂料、颜料、墨水等。
(2)制备纳米材料。
微判断(1)NaCl 溶液、水、泥浆、淀粉溶液都属于胶体。
(×)(2)FeCl 3溶液呈电中性,Fe(OH)3胶体带电,通电时可以定向移动。
(×) (3)可以利用丁达尔效应区分胶体和溶液。
(√) (4)直径介于1~100 nm 之间的粒子称为胶体。
(×) (5)胶体都是均匀透明的液体。
(×)(6)胶体一般比较稳定,不易产生沉淀。
(√)(7)分散质粒子直径大小在几纳米到几十纳米之间的分散系是胶体。
(√)(8)根据是否产生丁达尔效应,将分散系分为溶液、胶体与浊液。
(×)微训练1.胶体、浊液与溶液的本质区别在于( )A.分散系是否有丁达尔现象B.分散质粒子是否带电荷C.分散系是否稳定D.分散质粒子直径的大小解析三种分散系的本质区别在于分散质粒子直径的大小。
第2课时 一种重要的混合物——胶体[知 识 梳 理]知识点一 分散系及其分类美酒、牛奶、奶昔都是美味饮料,但是它们的存在状态有所不同,它们本质上是否有所不同?请完成下列知识点: 1.概念分散系:把一种(或几种)物质(分散质)分散在另一种物质(分散剂)中所得到的体系。
由分散质和分散剂构成。
例:溶液分散系⎩⎪⎨⎪⎧溶质↔分散质溶剂↔分散剂2.分类(1)按照分散质或分散剂的状态共分为九种分散系:(2)按照分散质粒子直径大小分类:常见的浊液⎩⎪⎨⎪⎧悬浊液乳浊液知识点二 胶体的制备和性质三角洲是如何形成的?为什么会形成三角洲?带着这个问题完成下列知识点: 1.性质(1)介稳性:胶体的稳定性介于溶液和浊液之间,在一定条件下能稳定存在,属于介稳体系。
(2)丁达尔效应。
①当可见光束通过胶体时,在入射光侧面可以看到一条光亮的“通路”,这是由于胶体粒子对光线散射形成的。
②应用:区分胶体和溶液。
(3)电泳现象:胶体粒子带有电荷,在外电场的作用下发生定向移动。
胶粒带电,但胶体不带电(4)聚沉现象:胶体形成沉淀析出的现象。
2.Fe(OH)3胶体的制备3.应用(1)利用其介稳性:制涂料、颜料、墨水等。
(2)制备纳米材料。
微判断(1)NaCl 溶液、水、泥浆、淀粉溶液都属于胶体。
(×)(2)FeCl 3溶液呈电中性,Fe(OH)3胶体带电,通电时可以定向移动。
(×) (3)可以利用丁达尔效应区分胶体和溶液。
(√) (4)直径介于1~100 nm 之间的粒子称为胶体。
(×) (5)胶体都是均匀透明的液体。
(×)(6)胶体一般比较稳定,不易产生沉淀。
(√)(7)分散质粒子直径大小在几纳米到几十纳米之间的分散系是胶体。
(√)(8)根据是否产生丁达尔效应,将分散系分为溶液、胶体与浊液。
(×)微训练1.胶体、浊液与溶液的本质区别在于( )A.分散系是否有丁达尔现象B.分散质粒子是否带电荷C.分散系是否稳定D.分散质粒子直径的大小解析三种分散系的本质区别在于分散质粒子直径的大小。
2.2.3直线与平面平行的性质2.2.4平面与平面平行的性质1.理解直线与平面、平面与平面平行的性质定理的含义.(重点)2.能用三种语言准确描述直线与平面、平面与平面平行的性质定理.(重点) 3.能用直线与平面、平面与平面平行的性质定理证明一些空间平行关系的简单命题.(难点)[基础·初探]教材整理1直线与平面平行的性质定理阅读教材P58~P59“例3”以上的内容,完成下列问题.自然语言一条直线与一个平面平行,则过这条直线的任一平面与此平面的交线与该直线平行符号语言a∥α,a⊂β,α∩β=b⇒a∥b图形语言作用证明两直线平行判断(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)一条直线如果和一个平面平行,它就和这个平面内的无数条直线平行.()(2)一条直线和一个平面平行,它就和这个平面内的任何直线无公共点.()(3)过直线外一点,有且仅有一个平面和已知直线平行.()(4)如果直线l和平面α平行,那么过平面α内一点和直线l平行的直线在α内.()【解析】由线面平行的性质定理知(1)(4)正确;由直线与平面平行的定义知(2)正确;因为经过一点可作一条直线与已知直线平行,而经过这条直线可作无数个平面,故(3)错.【答案】(1)√(2)√(3)×(4)√教材整理2平面与平面平行的性质定理阅读教材P60“思考”以下至P61“练习”以上的内容,完成下列问题.自然语言如果两个平行平面同时和第三个平面相交,那么它们的交线平行符号语言α∥β,α∩γ=a,β∩γ=b⇒a∥b图形语言作用证明两直线平行已知平面α∥平面β,过平面α内的一条直线a的平面γ,与平面β相交,交线为直线b,则a,b的位置关系是()A.平行B.相交C.异面D.不确定【解析】由面面平行的性质定理可知a∥b.【答案】 A[小组合作型]线面平行性质定理的应用面为平行四边形,求证:AB∥平面EFGH.图2-2-15【精彩点拨】要证明AB∥平面EFGH,只需证AB平行于平面EFGH内的某一条直线,由于EFGH是平行四边形,可利用其对边平行的特点,达到证题的目的.【自主解答】∵四边形EFGH为平行四边形,∴EF∥HG.∵HG⊂平面ABD,EF⊄平面ABD,∴EF∥平面ABD.∵EF⊂平面ABC,平面ABC∩平面ABD=AB,∴EF∥AB.∵AB⊄平面EFGH,EF⊂平面EFGH,∴AB∥平面EFGH.运用线面平行的性质定理时,应先确定线面平行,再寻找过已知直线的平面与平面相交的交线,然后确定线线平行.应认真领悟线线平行与线面平行的相互转化关系.[再练一题]1.如图2-2-16,在三棱柱ABC-A1B1C1中,过AA1作一平面交平面BCC1B1于EE1.求证:AA1∥EE1.图2-2-16【证明】在三棱柱ABC-A1B1C1中,AA1∥BB1,∵AA1⊄平面BCC1B1,BB1⊂平面BCC1B1,∴AA1∥平面BCC1B1.∵AA1⊂平面AEE1A1,平面AEE1A1∩平面BCC1B1=EE1,∴AA1∥EE1.面面平行性质定理的应用α与β之间),直线PB,PD分别与α,β相交于点A,B和C,D.图2-2-17(1)求证:AC∥BD;(2)已知P A=4,AB=5,PC=3,求PD的长.【精彩点拨】(1)利用面面平行的性质定理直接证明即可.(2)利用平行线分线段成比例定理可求得PD.【自主解答】(1)证明:∵PB∩PD=P,∴直线PB和PD确定一个平面γ,则α∩γ=AC,β∩γ=BD.又α∥β,∴AC∥BD.(2)由(1)得AC∥BD,∴P AAB=PCCD,∴45=3CD,∴CD=154,∴PD =PC +CD =274.1.利用面面平行的性质定理判定两直线平行的步骤:(1)先找两个平面,使这两个平面分别经过这两条直线中的一条;(2)判定这两个平面平行;(3)再找一个平面,使这两条直线都在这个平面上;(4)由性质定理得出线线平行.2.应用面面平行的性质定理时,往往需要“作”或“找”辅助平面,但辅助平面不可乱作,要想办法与其他已知量联系起来.[再练一题]2.如图2-2-18,在三棱柱ABC -A 1B 1C 1中,M 是A 1C 1的中点,平面AB 1M ∥平面BC 1N ,AC ∩平面BC 1N =N .求证:N 为AC 的中点.图2-2-18【证明】 因为平面AB 1M ∥平面BC 1N ,平面ACC 1A 1∩平面AB 1M =AM ,平面BC 1N ∩平面ACC 1A 1=C 1N ,所以C 1N ∥AM ,又AC ∥A 1C 1,所以四边形ANC 1M 为平行四边形, 所以AN ∥C 1M 且AN =C 1M , 又C 1M =12A 1C 1,A 1C 1=AC ,所以AN =12AC ,所以N 为AC 的中点.[探究共研型]平行关系的综合应用探究1 【提示】 应着力寻找过已知直线的平面与已知平面的交线,有时为了得到交线还需作出辅助平面,而且证明与平行有关的问题时,要与公理4等结合起来使用,扩大应用的范畴.探究2面面平行的判定定理与性质定理各有什么作用?【提示】两个平面平行的判定定理与性质定理的作用,关键都集中在“平行”二字上.判定定理解决了“在什么样的条件下两个平面平行”;性质定理揭示了“两个平面平行之后它们具有什么样的性质”.前者给出了判定两个平面平行的一种方法;后者给出了判定两条直线平行的一种方法.探究3你能总结一下线线平行与线面平行、面面平行之间的转化关系吗?【提示】三种平行关系可以任意转化,其相互转化关系如图所示:如图2-2-19,在正方体ABCD-A1B1C1D1中,点N在BD上,点M在B1C上,且CM=DN.求证:MN∥平面AA1B1B.图2-2-19【精彩点拨】用判定定理证明较困难,可通过证明过MN的平面与平面AA1B1B平行,得到MN∥平面AA1B1B.【自主解答】如图,作MP∥BB1交BC于点P,连接NP,∵MP∥BB1,∴CMMB1=CPPB.∵BD=B1C,DN=CM,∴B1M=BN,∴CMMB1=DNNB,∴CPPB=DNNB,∴NP∥CD∥AB.∵NP⊄平面AA1B1B,AB⊂平面AA1B1B,∴NP∥平面AA1B1B.∵MP∥BB1,MP⊄平面AA1B1B,BB1⊂平面AA1B1B,∴MP∥平面AA1B1B.又∵MP⊂平面MNP,NP⊂平面MNP,MP∩NP=P,∴平面MNP∥平面AA1B1B.∵MN⊂平面MNP,∴MN∥平面AA1B1B.1.三种平行关系的转化要灵活应用线线平行、线面平行和面面平行的相互联系、相互转化.在解决立体几何中的平行问题时,一般都要用到平行关系的转化.转化思想是解决这类问题的最有效的方法.2.面面平行的性质定理的几个推论(1)两个平面平行,其中一个平面内的任意一条直线平行于另一个平面.(2)夹在两平行平面间的平行线段相等.(3)经过平面外的一点有且只有一个平面与已知平面平行.(4)两条直线被三个平行平面所截,截得的对应线段成比例.[再练一题]3.如图2-2-20,在四棱柱ABCD-A1B1C1D1中,底面ABCD为等腰梯形,AB∥CD,AB=2CD,E,E1分别是棱AD,AA1上的点.设F是棱AB的中点,证明:直线EE1∥平面FCC1.图2-2-20【证明】因为F为AB的中点,所以AB=2AF.又因为AB=2CD,所以CD=AF.因为AB∥CD,所以CD∥AF,所以AFCD为平行四边形.所以FC∥AD.又FC⊄平面ADD1A1,AD⊂平面ADD1A1,所以FC∥平面ADD1A1.因为CC1∥DD1,CC1⊄平面ADD1A1,DD1⊂平面ADD1A1,所以CC1∥平面ADD1A1,又FC∩CC1=C,所以平面ADD1A1∥平面FCC1.又EE1⊂平面ADD1A1,所以EE1∥平面FCC1.1.正方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F,G分别是A1B1,CD,B1C1的中点,则正确命题是()图2-2-21A.AE⊥CGB.AE与CG是异面直线C.四边形AEC1F是正方形D.AE∥平面BC1F【解析】由正方体的几何特征知,AE与平面BCC1B1不垂直,则AE⊥CG 不成立;由于EG∥A1C1∥AC,故A,E,G,C四点共面,所以AE与CG是异面直线错误;在四边形AEC1F中,AE=EC1=C1F=AF,但AF与AE不垂直,故四边形AEC1F是正方形错误;由于AE∥C1F,由线面平行的判定定理,可得AE∥平面BC1F.故选D.【答案】 D2.如图2-2-22,四棱锥P-ABCD中,M,N分别为AC,PC上的点,且MN ∥平面P AD,则()图2-2-22A.MN∥PDB.MN∥P AC.MN∥ADD.以上均有可能B[∵MN∥平面P AD,平面P AC∩平面P AD=P A,MN⊂平面P AC,∴MN ∥P A.]3.已知直线l∥平面α,l⊂平面β,α∩β=m,则直线l,m的位置关系是________.【解析】由直线与平面平行的性质定理知l∥m.【答案】平行4.过两平行平面α,β外的点P的两条直线AB与CD,它们分别交α于A,C两点,交β于B,D两点,若P A=6,AC=9,PB=8,则BD的长为________.【解析】两条直线AB与CD相交于P点,所以可以确定一个平面,此平面与两平行平面α,β的交线AC∥BD,所以P APB=ACBD,又P A=6,AC=9,PB=8,故BD=12.【答案】125.如图2-2-23,α∩β=CD,α∩γ=EF,β∩γ=AB,AB∥α.求证:CD∥EF.图2-2-23【证明】因为AB∥α,AB⊂β,α∩β=CD,所以AB∥CD.同理可证AB∥EF,所以CD∥EF.学业分层测评(十一)(建议用时:45分钟)[学业达标]一、选择题1.直线a∥平面α,α内有n条直线交于一点,那么这n条直线中与直线a 平行的()A.至少有一条B.至多有一条C.有且只有一条D.没有【解析】过a和平面内n条直线的交点只有一个平面β,所以平面α与平面β只有一条交线,且与直线a平行,这条交线可能不是这n条直线中的一条,也可能是.故选B.【答案】 B2.设a,b是两条直线,α,β是两个平面,若a∥α,a⊂β,α∩β=b,则α内与b相交的直线与a的位置关系是()A.平行B.相交C.异面D.平行或异面【解析】条件即为线面平行的性质定理,所以a∥b,又a与α无公共点,故选C.【答案】 C3.下列命题中不正确的是()A.两个平面α∥β,一条直线a平行于平面α,则a一定平行于平面βB.平面α∥平面β,则α内的任意一条直线都平行于平面βC.一个三角形有两条边所在的直线平行于一个平面,那么三角形所在平面与这个平面平行D.分别在两个平行平面内的两条直线只能是平行直线或者是异面直线【解析】选项A中直线a可能与β平行,也可能在β内,故选项A不正确;三角形两边必相交,这两条相交直线平行于一个平面,那么三角形所在的平面与这个平面平行,所以选项C正确;依据平面与平面平行的性质定理可知,选项B,D也正确,故选A.【答案】 A4.如图2-2-24,在长方体ABCD-A1B1C1D1中,E,F分别是棱AA1和BB1的中点,过EF的平面EFGH分别交BC和AD于G,H,则GH与AB的位置关系是()图2-2-24A.平行B.相交C.异面D.平行或异面【解析】由长方体性质知:EF∥平面ABCD,∵EF⊂平面EFGH,平面EFGH∩平面ABCD=GH,∴EF∥GH,又∵EF∥AB,∴GH∥AB,∴选A.【答案】 A5.设平面α∥平面β,A∈α,B∈β,C是AB的中点,当点A、B分别在平面α,β内运动时,动点C()A.不共面B.当且仅当点A、B分别在两条直线上移动时才共面C.当且仅当点A、B分别在两条给定的异面直线上移动时才共面D.无论点A,B如何移动都共面【解析】无论点A、B如何移动,其中点C到α、β的距离始终相等,故点C在到α、β距离相等且与两平面都平行的平面上.【答案】 D二、填空题6.如图2-2-25,正方体ABCD-A1B1C1D1中,AB=2,点E为AD的中点,点F在CD上,若EF∥平面AB1C,则线段EF的长度等于________.图2-2-25【解析】因为EF∥平面AB1C,EF⊂平面ABCD,平面AB1C∩平面ABCD=AC,所以EF∥AC.又点E为AD的中点,点F在CD上,所以点F是CD的中点,所以EF=12AC= 2.【答案】 27.如图2-2-26所示,直线a∥平面α,A∉α,并且a和A位于平面α两侧,点B,C∈a,AB、AC分别交平面α于点E,F,若BC=4,CF=5,AF=3,则EF=________.图2-2-26【解析】EF可看成直线a与点A确定的平面与平面α的交线,∵a∥α,由线面平行的性质定理知,BC∥EF,由条件知AC=AF+CF=3+5=8.又EFBC=AFAC,∴EF=AF×BCAC=3×48=32.【答案】3 2三、解答题8.如图2-2-27所示,四边形ABCD是矩形,P∉平面ABCD,过BC作平面BCFE交AP于点E,交DP于点F,求证:四边形BCFE为梯形.图2-2-27【证明】∵四边形ABCD是矩形,∴BC∥AD.∵AD⊂平面APD,BC⊄平面APD,∴BC∥平面APD.又平面BCFE∩平面APD=EF,∴BC∥EF,∴AD∥EF.又E,F是△APD边上的点,∴EF≠AD,∴EF≠BC.∴四边形BCFE是梯形.9.如图2-2-28,S是平行四边形ABCD所在平面外一点,M,N分别是SA,BD上的点,且AMSM=DNNB,求证:MN∥平面SBC.图2-2-28【证明】在AB上取一点P,使APBP=AMSM,连接MP,NP,则MP∥SB.∵SB⊂平面SBC,MP⊄平面SBC,∴MP∥平面SBC.又AMSM=DNNB,∴APBP=DNNB,∴NP∥AD.∵AD∥BC,∴NP∥BC.又BC⊂平面SBC,NP⊄平面SBC,∴NP∥平面SBC.又MP∩NP=P,∴平面MNP∥平面SBC,而MN⊂平面MNP,∴MN∥平面SBC.[能力提升]10.对于直线m、n和平面α,下列命题中正确的是()A.如果m⊂α,n⊄α,m、n是异面直线,那么n∥αB.如果m⊂α,n⊄α,m、n是异面直线,那么n与α相交C.如果m⊂α,n∥α,m、n共面,那么m∥nD.如果m∥α,n∥α,m、n共面,那么m∥n【解析】对于A,如图(1)所示,此时n与α相交,故A不正确;对于B,如图(2)所示,此时m,n是异面直线,而n与α平行,故B不正确;对于D,如图(3)所示,m与n相交,故D不正确.故选C.图(1)图(2)图(3)【答案】 C11.如图2-2-29,三棱柱ABC-A1B1C1中,底面是边长为2的正三角形,点E,F分别是棱CC1,BB1上的点,点M是线段AC上的动点,EC=2FB=2,当点M在何位置时,BM∥平面AEF.图2-2-29【解】如图,取EC的中点P,AC的中点Q,连接PQ,PB,BQ,则PQ ∥AE.因为EC=2FB=2,所以PE=BF.所以四边形BFEP为平行四边形,所以PB ∥EF.又AE,EF⊂平面AEF,PQ,PB⊄平面AEF,所以PQ∥平面AEF,PB∥平面AEF.又PQ∩PB=P,所以平面PBQ∥平面AEF.又BQ⊂平面PBQ,所以BQ∥平面AEF.故点Q即为所求的点M,即点M为AC的中点时,BM∥平面AEF.。
考点二分散系、胶体李仕才1.分散系(1)概念:把一种(或多种)物质分散在另一种(或多种)物质中所得到的体系。
(2)分类:按照分散质粒子的大小(3)按照分散质和分散剂的状态分类烟属于气固分散系;雾属于气液分散系;悬浊液属于液固分散系;合金属于固固分散系。
2.胶体的性质及应用(1)丁达尔效应可见光束通过胶体时,会出现一条光亮的“通路”现象。
应用:鉴别溶液和胶体。
(2)聚沉胶体粒子聚集成较大颗粒,从而形成沉淀从分散剂里析出的过程叫做聚沉。
使胶体聚沉的方法有:①加入电解质溶液;②加入与胶粒带相反电荷的胶体;③加热。
应用:三角洲的形成;明矾、铁盐溶液净水;盐卤制豆腐。
(3)电泳在电场作用下,胶体粒子在分散剂中作定向移动的现象。
如带正电荷的Fe(OH)3胶体粒子向阴极移动。
应用:工厂静电除尘。
(4)渗析 胶体粒子不能透过半透膜,溶液中的粒子可以透过半透膜。
应用:提纯胶体;血液透析。
3.Fe(OH)3胶体的制备向沸水中逐滴加入饱和FeCl 3溶液,继续煮沸至溶液呈红褐色,停止加热,即制得Fe(OH)3胶体,化学方程式为FeCl 3+3H 2O=====△Fe(OH)3(胶体)+3HCl 。
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)1.稀豆浆、硅酸、氯化铁溶液均为胶体。
( × )2.明矾溶于水产生Al(OH)3胶体:Al 3++3H 2O===Al(OH)3↓+3H +。
( × )3.丁达尔效应是胶体与溶液的本质区别。
( × )4.含0.1 mol FeCl 3的饱和溶液配制成胶体后,将得到胶体粒子0.1 mol 。
( × )5.FeCl 3溶液和Fe(OH)3胶体都呈红褐色。
( × )6.可用过滤的方法将胶体粒子与分散剂分开。
( × )7.沸水中滴加少量饱和FeCl 3溶液形成带电的胶体,导电能力增强。
( × )8.直径为20 nm 的纳米碳酸钙属于胶体。
第2章流体的性质2.1 引言一般而言,物质可以按其存在的物理形式予以分类。
称作相的这些形式,有固体、液体和气体。
流体包括液相和气相的物质。
我们完全熟悉这些相与固相有所区别的特征。
而且,我们也知道液体与气体有着完全不同的外观,所以,我们必须找出能够把它们都归入流体这一类的共同特征。
在研究流体动力学时,我们感兴趣的是处于运动中的流体形态以及这种形态对作用力和力矩的关系。
当受到切应力作用时,液体、气体和蒸汽都有一种明显的反映形式,这说明了它们的“流动性”,从而为阐明流体动力学原理提供了关键的依据。
流体的这种共同的以及与固体有所区别的特征叙述如下:在剪切(切向)应力作用下,无论这个应力多么小,流体将连续不断地变形。
应力的大小取决于角变形率。
另一方面,固体的变形与作用的应力成比例,经一段变形后,达到静态平衡。
切应力的大小取决于角变形量。
并非所有流体都具有完全相同的应力和应变率的关系。
如果从没有应力和没有变形的状态开始,切应力和角变形率成正比,这种流体就称为牛顿流体。
在此情况下,比例常数定义为绝对粘性系数或动力粘性系数 。
因此,牛顿流体具有这样一种性质,即它的动力粘性系数与流体所处的运动状态无关。
最常见的流体,如空气河水,均匀牛顿流体。
在牛顿流体和服从虎克定律的固体之间有类似指出,前者具有一个把应力和变形率联系起来的不变的粘性系数,后者又一个把应力和变形量联系起来的不变的弹性模量。
在应力与变形率之间具有变比例系数的流体称为非牛顿流体。
在此情况下,比例系数可能与承受切力的时间长短以及切力的大小有关。
然而,大量不常遇到却是极为重要的流体是非牛顿流体。
有些物体,突出的如一些塑体,当应力低于其屈服应力时,它们状如固体,而当高于其屈服应力时,它们就具有流体般的形态。
流变学就是研究塑体和非牛顿流体的学科。
近年来,在工程应用中,非牛顿流体的重要性正在日益增加,因此已经越来越受到重视。
在图2-1中,各种流体和塑体的特性分别适于变形率——应力和时间——应力关系图上。
图2-1 流变性态类型可以根据对于压(正向)应力的反映把流体进一步划分为两大类,即可压缩流体和不可压缩流体。
所有的气体和蒸汽都极易压缩。
比较起来,液体的压缩性是很小的。
我们将会看到,压缩性是在流体运动问题中需要引入热力学的内容。
如能假定流体是不可压缩的,那么描述流体的状态及其运动中的性态就要容易的多。
除了某些重要的例外,液体通常是不可压缩的。
另一方面,只有当整个流动系统中的压力变化很小时,气体才能看作是不可压缩的。
一切流体均由不连续分布并不断运动着的分子所组成。
在前面的流体的定义和特征中,忽略掉这种各不相连的分子结构,而把流体当作一种连续介质。
这就意味着,在流动中所取的一切尺寸比之分子间距要大得多,即使考虑到聚变比为零的情况也是这样。
这还意味着在全部给定的流体体积中流体的一切特性,如密度和粘性,都是逐点连续的。
应当说明,连续介质性的粘性流体的一个重要性态是,它在刚性边界上具备无滑移条件。
通过试验,我们观察到实际流体总是粘附于边界上,必须始终满足这个物理条件。
现在来定义和说明流体的特性。
这些特性至少有四类:1).运动学特性(线速度,角速度,涡量,加速度和应变率)。
2).输运特性(粘度,导热系数,质量扩散系数)。
3).热力学特性(压力,密度,温度,焓,熵,比热,Prandtl数,体积模量,热膨胀系数)。
4).其他特性(表面张力,蒸汽压力,涡扩散系数,表面适应系数)。
第四类中有些不是真正的特性,它们依赖于流动条件、表面条件和流体内的杂质。
采用第三类特性是要留有余地。
严格讲,经典热力学不能用于粘性流体,因为这种流体运动时不处于平衡状态。
幸而,除了流动滞留时间短,分子粒子数量少等情况外,流体对于局部热力学平衡的偏离程度通常并不显著。
2.2 运动学特性流体的运动学特性包括流体的速度、加速度、涡量、环量和应变率等。
流体力学中首先关心的通常是流体速度。
而固体力学中研究的是质点位移,因为固体中各质点以相对的刚性方式联结在一起。
通常,在固体力学中采用拉格朗日运动描述方法来描述个别质点的轨迹。
以火箭喷管外面的流体流动为例。
可以肯定,我们不可能描述几百万个个别质点的轨迹。
甚至观察地点也很重要,因为地面观察着看到的是复杂的非定常流动,而固定在火箭上的观察着看到的则是很规则的近乎定常的流谱。
因此,在流体力学通常的处理方法是1). 选择最方便的坐标原点,使流动看起来是定常的。
2). 只研究作为位置和时间函数的速度场,而不去描述任何特定的质点轨迹。
这种将每一固定点的流动作为时间函数来描述的方式,称为欧拉运动描述方法。
欧拉速度向量场可用如下笛卡尔坐标形式定义),,,(),,,(),,,(),,,(),(t z y x w t z y x v t z y x u t z y x V t r V k j i ++== (2.2.1)根据确定作为(x ,y ,z ,t )函数的标量u ,v ,w ,通常就求出流体力学问题的解。
注意我们用符号(u ,v ,w )来表示速度分量,而不是像在固体力学中那样表示位移分量。
在流体力学中位移几乎没有用处,所以没有用符号区表示它。
欧拉系统,或者速度场系统,肯定是流体力学中的合适选择,但是也有一定矛盾。
力学的三个基本定律——质量守恒、动量守恒和能量守恒,是对确定的相同质点(系统)建立起来的,也就是说,是拉格朗日性的。
所有这三个定律都同固定质点的某特性的时间变化率有关。
设Q 表示流体的任意特性,若t z y x d ,d ,d ,d 表示这四个独立变量的任意变化,Q 的全微分变化为t tQ z z Q y y Q x x Q Q d d d d d ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂= (2.2.2) 因为我们有意识地追踪确定的同一质点,空间增量必须是t w z t v y t u x d d ,d d ,d d === (2.2.3)将这些式子代入方程(2.2.2),我们得到特殊质点Q 的时间微分表达式z Q w y Q v x Q u t Q t Q ∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=d d (2.2.4)tQ d d 有各种名称,如物质微商,质点微商等。
所有名称都像引起这样的印象:我们追踪的是确定的质点。
为了加深这种印象,习惯上给这种微商一个专用符号tQ D D 。
方程(2.2.4)中最后三项称为对流微商,因为若速度为零,或者Q 没有空间变化,这些项为零。
tQ ∂∂称为局部微商。
此外还有如下紧凑的向量形式Q t Q t Q )(D D ∇⋅+∂∂=V (2.2.5)式中 x y z∂∂∂∇=++∂∂∂i j k ,为梯度算子 若Q 是V 本身,我们得到第一个运动学特性,即质点加速度向量 t u t u t u Q t Q t Q D D D D D D )(D D k j i V ++=∇⋅+∂∂= (2.2.6)注意加速度涉及u ,v ,w 和12种标量微商,即涉及局部变化t u ∂∂/、t v ∂∂/、t w ∂∂/和i i x u ∂∂/形式的九个空间微商,此处i ,j ,k 表示三个坐标方向,以后我们不用i ,j ,k 单位向量,而是用它们表示笛卡尔脚标。
因为tD D 中的各项对流项是变量的非线性乘积项,这就带来数学上的困难。
由此得出,具有有限对流加速度的粘性流动是非线性的,因而提出这样一些令人烦恼的分析问题——叠加原理无效。
甚至在定常层流中,解也不是唯一的。
而且,在高雷诺数或湍流情况下,出现相互耦合并具有连续频谱的脉动运动。
要注意,这些非线性项是加速度项,而不是粘性应力项。
若粘性假定不变,粘性流动分析的主要障碍是一个非粘性项;若粘度假定不变,粘性应力本身是线性的。
在无粘性流动中,非线性对流加速度依然存在,但是不起坏作用。
这一点参看如下向量恒等式就可看出2()()2V ⎛⎫⋅∇≡∇-⨯⨯∇ ⎪⎝⎭V V V (2.2.7)正如我们要看到的那样,若粘度为零(运动是无旋的),V ⨯∇总是零,剩下的对流加速度只是等于伯努利方程的动能项。
无粘性流动也是非线性的,但是,非线性只局限于静压计算,同线性速度场的确定无关。
同固体力学一样,在流体力学中我们对质点的一般运动,变形和变形率感兴趣。
流体单元可能产生平移、转动、伸缩应变或膨胀和剪切应变。
在此就不详细讨论了。
2.3 输运特性研究流体的动力特性是,常常涉及流体输运现象的某些方面,这就是流动中的流体到处输送物质与特性的能力,及这些物质与特性通过流体介质以扩散与传递的机理。
按照输运过程的不同类型,把可用的分析方法进行分类是有益的。
换言之,应当这样选择分析方法,从而能应用于所要解决问题的物理定律。
伴随着流体运动的基本的输运现象的是质量、热量和动量输运。
也就是说,这些过程的每一种都是和作为观测与经验的结果而得出的基本物理定律相联系的。
这些过程与定律摘要如下:过程观测定律质量输运物质守恒热量输运能量守恒(热力学第一定律)动量输运牛顿第二定律(运动方程)三个所谓输运特性是粘度、热导率(导热系数)和质量扩散系数。
之所以有这样的取名称,是因为它们分别同动量、热量和质量的运动或输运有关。
研究粘性流动实质解决动量输运问题。
这三个系数的每一个都将通量或输运通特性梯度联系起来。
粘性将动量通量同速度梯度联系起来;热导率将热通量同温度梯度联系起来;扩散系数将质量输运同浓度梯度联系起来。
此外,动量、热量和质量同量问题的数学性质常常是相似的,有时可以进行真实的比拟关系。
但是,应该注意,这种比拟在多维问题中是不成立的,因为热量通量和质量通量是向量,而动量通量(应力)是张量。
2.3.1 动量输运特性动量定义为一质点的质量与其速度矢量的乘积。
牛顿第二定律为作用于质点的诸力之和与其动量的时间变化率二者之间提供了基本的、非相对论的关系。
所得的表达式称之为运动方程。
在流体力学中,动量输运想象是极为重要的,因为可用它们解释流体阻力、边界切应力和内部切应力以及潜体的推进和作用力。
图2-2 层流情况下的横向动量输运及动量梯度的切应力例如,设处于两大平行板之间的流体发生运动(图2-2),上层板运动而下层板静止。
由无滑移条件,紧贴着任意边界的流体速度与该边界的速度相等。
邻接上层板的流体获得一个纵向动量,从而使其邻接“层”产生一个纵向运动。
为了满足最低成速度为零的条件,下一层的速度都小于紧挨着的上一层。
各个流体团因而获得纵向动量。
每层都通过横向的动量输运得到纵向动量。
这种横向的动量输运是梯度型的,而且与单位体积流体的纵向动量的梯度成正比。
注意,横向动量输运沿着纵向动量减小的方向(指向较低的平板)。
因此,动量输运过程与热量朝着温度降低的方向传输以及质量朝着浓度减小的方向输运类似。