mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati

Hasonló dokumentumok
Bevezetés az elméleti zikába

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Szilárd testek rugalmas alakváltozásai Nyú y j ú tás y j Hooke törvény, Hooke törvén E E o Y un un modulus a f eszültség ffeszültség

Hidrosztatika, Hidrodinamika

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

{ } x x x y 1. MATEMATIKAI ÖSSZEFOGLALÓ. ( ) ( ) ( ) (a szorzás eredménye:vektor) 1.1. Vektorok közötti műveletek

Hidraulika. 1.előadás A hidraulika alapjai. Szilágyi Attila, NYE, 2018.

Euleri és Lagrange szemlélet, avagy a meteorológia deriváltjai

Folyadékok és gázok mechanikája

Termodinamikai bevezető

Geometriai vagy kinematikai természetű feltételek: kötések vagy. kényszerek. 1. Egy apró korong egy mozdulatlan lejtőn vagy egy gömb belső

Simított részecskedinamika Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

HIDROSZTATIKA, HIDRODINAMIKA

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

Hidrosztatika. Folyadékok fizikai tulajdonságai

A Hamilton-Jacobi-egyenlet

Az elméleti mechanika alapjai

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Mechanika IV.: Hidrosztatika és hidrodinamika. Vizsgatétel. Folyadékok fizikája. Folyadékok alaptulajdonságai

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

BMEGEÁTAT01-AKM1 ÁRAMLÁSTAN (DR.SUDA-J.M.) 2.FAKZH AELAB (90MIN) 18:45H

A hidrosztatika alapegyenlete vektoriális alakban: p = ρg (1.0.1) ρgds (1.0.2)

Differenciálegyenletek numerikus integrálása április 9.

DR. BUDO ÁGOSTON ' # i. akadémikus, Kossuth-díjas egyetemi tanár MECHANIKA. Kilencedik kiadás TANKÖNYVKIADÓ, BUDAPEST

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Folyadékok és gázok áramlása

Lagrange egyenletek. Úgy a virtuális munka mint a D Alembert-elv gyakorlati alkalmazását

Transzportjelenségek

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

3. Gyakorlat Áramlástani feladatok és megoldásuk

Mechanika. Kinematika

Kinematika szeptember Vonatkoztatási rendszerek, koordinátarendszerek

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

Kollár Veronika A biofizika fizikai alapjai

Folyadékok és gázok áramlása

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

Transzportfolyamatok

Nyújtás. Ismétlés. Hooke-törvény. Harántösszehúzódás: nyújtásnál/összenyomásnál a térfogat növekszik/csökken

Elektromágneses hullámok

Felületi feszültség: cseppfolyós-gáz határfelületen a vonzerő kiegyensúlyozatlan: rugalmas hártyaként viselkedik.

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

MODELLEZÉS - SZIMULÁCIÓ

Fizika. Fizika. Nyitray Gergely (PhD) PTE PMMIK február 13.

A LÉGKÖRBEN HATÓ ERŐK, EGYENSÚLYI MOZGÁSOK A LÉGKÖRBEN

Áramlások fizikája

Reológia Mérési technikák

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Folyadékok és gázok mechanikája

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

A mechanika alapjai. A pontszerű testek dinamikája

1.2 Folyadékok tulajdonságai, Newton-féle viszkozitási törvény

sin x = cos x =? sin x = dx =? dx = cos x =? g) Adja meg a helyettesítéses integrálás szabályát határozott integrálokra vonatkozóan!

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Molekuláris dinamika. 10. előadás

FIZIKA. Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Matematika II. 1 sin xdx =, 1 cos xdx =, 1 + x 2 dx =

Agrár-környezetvédelmi Modul Vízgazdálkodási ismeretek. KÖRNYEZETGAZDÁLKODÁSI MÉRNÖKI MSc TERMÉSZETVÉDELMI MÉRNÖKI MSc

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Hidrosztatika, Hidrodinamika

3.1. ábra ábra

2. REZGÉSEK Harmonikus rezgések: 2.2. Csillapított rezgések

1. fejezet. Gyakorlat C-41

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Termodinamika (Hőtan)

Az alábbi fogalmak és törvények jelentését/értelmezését/matematikai alakját (megfelelő mélységben) ismerni kell: Newtoni mechanika

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

MMK Auditori vizsga felkészítő előadás Hő és Áramlástan 1.

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Elektromos áramerősség

A magnetohidrodinamikai leírás (Lásd Landau VIII. kötet, VIII. fejezet)

Tárgymutató. dinamika, 5 dinamikai rendszer, 4 végtelen sok állapotú, dinamikai törvény, 5 dinamikai törvények, 12 divergencia,

Dinamika. p = mυ = F t vagy. = t

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA II.

Nyomás. Az az erő, amelyikkel az egyik test, tárgy nyomja a másikat, nyomóerőnek nevezzük. Jele: F ny

A LÉGKÖRBEN HATÓ ERŐK, EGYENSÚLYI MOZGÁSOK A LÉGKÖRBEN

Serret-Frenet képletek

A térképen ábrázolt vonal: - sík felület egyenese? - sík felület görbéje? - görbült felület egyenese ( geodetikus )? - görbült felület görbéje?

A térképen ábrázolt vonal: - sík felület egyenese? - sík felület görbéje? - görbült felület egyenese ( geodetikus )? - görbült felület görbéje?

Légköri termodinamika

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

Matematika A1. 8. feladatsor. Dierenciálás 2. Trigonometrikus függvények deriváltja. A láncszabály. 1. Határozzuk meg a dy/dx függvényt.

A Descartes derékszög½u koordinátarendszert az i; j; k ortonormált bázis feszíti ki. Egy

Szent István Egyetem FIZI IKA Folyadékok fizikája (Hidrodinamika) Dr. Seres István

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

PONTSZÁM:S50p / p = 0. Név:. NEPTUN kód: ÜLŐHELY sorszám

ANALÍZIS II. Példatár

Lagrange és Hamilton mechanika

A nyomás. IV. fejezet Összefoglalás

Átírás:

ϕ t + j ϕ = 0 mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati sűrűsége j ϕ - a ϕ-hez tartozó áramsűrűség j ϕ = vϕ + j rev + j irr vϕ - advekció j rev - egyéb reverzibilis áram j irr - irreverzibilis áram (entrópia növelő transzport jelenség) ϕ t + ij ϕ i = 0, Descartes-i bázisban Einstein-féle összegzési konvenció.

ξ vektoriális mennyiség térfogati sűrűsége ξ i ξ t + X = 0, ξ j t + ix ij = 0, vectoriális alak Descartes-i bázisban v ξ (v i ξ j ) - advekció X rev - egyéb reverzibilis áram X irr - irreverzibilis áram (entrópia növelő transzport jelenség)

Az Euler-egyenlet Tekintsünk a folyadék belsejében egy tartományt. p df = p dv. a térfogatra ható teljes erő. a folyadék egységnyi térfogatára p erő hat. A térfogatelem mozgásegyenlete : ahol és dv = v v dt + dx t x ρ dv dt + dy v y dv dt = v t v t + (v )v = 1 ρ = p. v + dz z = v dt + (dr )v t + (v )v. p. Euler egyenlet (1755)

Nehézségi erőtérben valamennyi térfogatelemre még ρg gravitációs erő hat. v + (v )v = p t ρ + g Nem vettünk figyelembe transzport jelensegeket: belső surlódás(viszkozitás) hődiffuzió anyagdiffuzió ideális folyadék.

dw = T ds + V dp, w a folyadék egységnyi tömegének entalpiája, V = 1/ρ fajlagos térfogat. vagy p/ρ = w. dw = V dp = 1 ρ dp, Vektoranaĺızisből: v t + (v )v = w. 1 2 v 2 = v ( v) + (v )v v t + 1 2 v 2 v ( v) = w csak a sebességet tartalmazza. v = (v v) t

Határfeltételek álló merev fal: a folyadék nem áramlik át a szilárd falon sebesség normális komponense a rögzített fal mentén eltűnik : v n = 0. mozgó merev fal: v n a felület sebességének megfelelő összetevőjével egyezik meg. két, egymással nem keveredő folyadék elválasztó felülete: a két oldalon - p 1 = p 2 - v 1n = v 2n Ideális hidrodinamika: öt mennyiség (v, p, ρ) öt egyenlet (Euler-egyenletek, kontinuitási egyenlet valamint a mozgás adiabatikus jellegét kifejező egyenlet).

Hidrosztatika Homogén gravitációs erőtérben v t Nyugvó folyadékra v = 0 + (v )v = p ρ + g p = ρg. a folyadék mechanikai egyensúlyának feltétele. Ha a ρ =állandó, g = (0, 0, g) p x = p y = 0, p z = ρg, p = ρgz + const. Ha a nyugvó, h magasságban elhelyezkedő, szabad felületére annak minden pontjában azonos, p 0 nagyságú nyomás hat: p = p 0 + ρg(h z).

Nagy folyadéktömeg esetén a folyadék ρ állandó, különösen a gázok esetén (pl. légkör). dφ = s dt + V dp Φ egységnyi tömegére vonatkozó termodinamikai potenciál. Legyen T =állandó (termikus egyensúly): dφ = V dp = 1 ρ dp. 1 ρ p helyettesíthető Φ Φ = g. g = (gz) (Φ + gz) = 0 Φ + gz = const; az összes mennyiség (T, ρ, p, Φ,...) csak a z magasságtól függ. Ha két egyenlő magasságban levő pont között például hőmérséklet-különbség lép fel, a mechanikai egyensúly lehetősége kizárt.

Nehézségi erő által összetartott igen nagy folyadéktömeg (csillag) egyensúlya. ϕ a nehézségi erőtér potenciálja. ϕ = 4 πgρ G a Newton-féle gravitációs állandó. A gravitációs tér térerősége ϕ, a ρ tömegre ható erő ρ ϕ. ( 1 p = ρ ϕ. ρ... ( ) 1 ρ ϕ = 4πGρ. Itt csak mechanikai egyensúlyról van szó. A teljes termikus egyensúly fennállását nem használtuk ki. Ha a test nem forog, az egyensúlyi alak gömb minden mennyiség gömbszimmetrikus. 1 r 2 d dr ( r 2 ρ ) dp = 4πGρ. dr

A Bernoulli-egyenlet Stacionárius áramlás v t = 0. v t + 1 2 v 2 v ( v) = w 1 2 v 2 v v = w. l... Az áramvonal v dx = dy = dz. v x v y v z Az áramvonalak időben állandók. Az érintő egységvektora l. w l = w, (v v) l = 0. l ( ) v 2 l 2 + w = 0 v 2 + w = const. egy áramvonal mentén 2 Bernoulli-egyenlet. Az állandó értéke minden áramvonal mentén

Nehézségi erőtérben g l = g dz dl ( ) v 2 l 2 + w + gz = 0 v 2 2 + w + gz = const

A cirkuláció megmaradása Γ = v dl a görbére vonatkozó (sebesség)cirkuláció. Kössünk egy zárt görbét a rajta elhelyezkedő részecskékhez a görbe időben változik. d v dl =? dt δ - koordináták szerinti deriválás, d - idő szerinti derivált dl = δr v δr. v = dr/dt d dt v dδr dt v δr = dv dt δr + v dδr dt. = vδ dr dt = vδv = δ v 2 2.

Teljes differenciál zárt görbére vett integrálja eltűnik d dv v δr = dt dt δr. Az integrál kiszámításához felhasználjuk a dv dt gyorsulásnak kifejezését : dv dt = w. A sokes-tétel alkalmazásával (tekintetbe véve, hogy w = 0) : dv dt δr = dv δf = 0. dt

Súrlódó folyadékok mozgásegyenletei t ρv i = P ik x k P ik az ideális impulzusáram-sűrűség tenzor. P ik = pδ ik + ρv i v k σ ik = σ ik + ρv i v k. Az itt szereplő σ ik = pδ ik + σ ik feszültségtenzor, σ ik viszkozitási feszültségtenzor. Belső súrlódás csak akkor lép fel, ha a folyadék különböző részei különböző sebességgel mozognak σ ik a sebességnek a koordináták szerinti deriváltjaitól függ. Kis gradiens esetén σ ik -nak v i v x k -tól való függés lineáris. i x k -töl független tagok nem szerepelhetnek σ ik = 0 ha v = const esetén el kell tűnniük. Ha a folyadék mint egész forog, akkor belső súrlódás nem léphet fel. v = Ω r v i + v k = 0 x k x i

( σ ik = a vi + v ) k + b v l δ ik, x k x i x l ahol a és b függetlenek a sebességtől (csak izotróp folyadékokban igaz ahol a, b skalárok). ( σ ik = η vi + v k 2 ) x k x i 3 δ v l v l ik + ζδ ik x l x l. η > 0 és ζ > 0 belső súrlódási együtthatók ( ) vi ρ t + v v i k = p x k x i ( ) vi ρ t + v v i k = p + { ( vi η + + v k 2 x k x i x k x k x i 3 δ v l ik x l + ( ζ v ) l. x i x l η és ζ általában a nyomás és a hőmérséklet függvénye, de jó közeĺıtéssel állandók. )} +

σ ik x k ( 2 v i = η xk 2 = η 2 v i x 2 k + [ ] v ρ t + (v )v + v k 2 v l x i x k 3 x i x l ( ζ + η 3 v l x l v, ) + ζ x i v l x l = (1) ) x i v l x l. (2) 2 v i x 2 k v i. ( = p + η v + ζ + η ) ( v). 3 Navier Stokes-egyenlet. Ha a folyadék összenyomhatatlan v = 0 v t + (v )v = 1 ρ p + η ρ v. ( vi σ ik = pδ ik + η + v ) k. x k x i A belső súrlódást egyetlen állandó írja le (ún.dinamikai viszkozitás) ν = η/ρ kinematikai viszkozitás

v t + (v )v = 1 ρ p + η ρ v. Gázok dinamikai viszkozitása adott hőmérsékleten független a nyomástól. Rotáció operátort alkalmazva v = (v v) + ν v. t

A szilárd test felületével érintkező folyadék nem mozdul el, mintha oda lenne ragasztva. Tehát szilárd test mentén: v = 0. Mozgó felület esetében v a szilárd felület mozgássebességével egyezik meg.könnyen feĺırhatjuk a folyadékba merülő szilárd test felületére ható erő kifejezését.egy felületelemre ható erő az adott elemen átmenő impulzusáram. A df felületelemen átmenő impulzusáram : P ik df k = (ρv i v k σ ik )f k. Az egységnyi felületre ható P erő így adódik : P i = σ ik n k = pn i σ ik n k, mivel a felületen v = 0.Az első tag a szokásos folyadéknyomás, a második a felületre ható súrlódási erő. Hangsúlyoznunk kell, hogy az n vektor a folyadékfelület külső nortmális irányú egységvektora, azaz a szilárd test felületének belső normálisa.

Áramlás csövekben 1. Két párhuzamos egymáshoz képest h távolságra elhelyezkedő, állandó u Ox sebességgel mozgó síklap közé zárt folyadék n Oy. Minden mennyiség csak az y koordinátától függ. Stacionárius mozgás esetén (a Navier-Stokes egyenletből) dp dy = 0, p = const, v = ay + b Az y = 0, v = 0 és y = h, v = u A folyadék átlagsebessége v = 1 h v = y h u. h Az érintőirányú erő (azy = 0 síkban) : 0 d 2 v dy 2 = 0. v dy = 1 2 u. σ xy = η dv dy = ηu h.

2. Két rögzített, párhuzamos sík között nyomáskülönbség hatására végbemenő áramlás. A Navier Stokes-egyenletből 2 v y 2 = 1 p η x, p y = 0. Az első egyenlet jobb oldala csak x-től függ,bal oldala pedig csak y-tól mindkét oldal állandó. Tehát dp dx = const, v = 1 dp 2η dx y 2 + ay + b. v = 0, ha y = 0 vagy y = h v = 1 dp 2η dx [ h 2 4 ( y h ) ] 2. 2 a réteg közepén maximális parabola. Az átlagsebesség v = h2 p 12η x. A síkokra ható súrlódási erő: σ xy = η v y y=0 = h dp 2 dx

3. Tetszőleges (de végig azonos) keresztmetszetű csőben. v = (v(y, z), 0, 0) : p y = p z = 0, 2 v y 2 + 2 v z 2 = 1 dp η dx. Ebből ismét dp p dx = const = l, p a cső végei közötti nyomáskülönbség, l a cső hossza. v = 0 határfeltétel, v = v(r). ( 1 d r dv ) = p r dr dr ηl. v = p 4ηl r 2 + a ln r + b a = 0 mert a sebesség minden pontban véges. v = 0, ha r = R b. v = p 4ηl (R2 r 2 ). A cső egy síkmetszetén időegység alatt átáramló Q folyadékmennyiség (hozam). Q = 2πρ R 0 rv dr = π p R 4 8νl

Hanghullámok Az összenyomható folyadék kis amplitúdójú rezgőmozgását hanghullámnak nevezzük. A hanghullám váltakozva sűrűsödést és ritkulást okoz a folyadék minden pontjában. Kis oszcillációk, kis v sebesség (v )v tag elhanyagolható. p = p 0 + p, ρ = ρ 0 + ρ ρ 0 és p 0 az egyensúlyi sűrűség és nyomás, (ρ ρ 0, p p 0 ). ρ t + ρv = 0 és ρ t + ρ 0 v = 0. v t + (v )v = p ρ v t + p ρ 0 = 0

v c (c a hangsebesség). Adiabatikus állapotváltozás ( ) p p = ρ ρ. s p ( ) p t + ρ 0 v = 0. ρ v = ϕ sebességpotenciál p = ρ ϕ t, 2 ϕ t 2 c2 ϕ = 0 egyenletet kapjuk;itt bevezettük a ( p ) c = ρ hullámegyenlet lineáris homogén másodrendű parciális differenciálegyenlet v, p, ρ is eleget tesznek a hullámegyenletnek. s

p = c 2 ρ v = cρ ρ. Az adiabatikus és az izotermikus kompresszibilitás kapcsolata ( ) p = c ( ) p p. ρ c v ρ Határozzuk meg a hangsebességet ideális gázban. Az állapotegyenlet: s pv = p ρ = RT µ, R a gázállandó, µ pedig a molekulasúly. c = γ RT µ, T ahol γ = cp c V. A hangsebesség gázokban nagyságrendileg megegyezik a molekulák hőmozgásának átlagsebességével. Adott hőmérsékleten c független a nyomástól.