السوائل (الفيزياء): التعريف والخصائص والأمثلة

السائل هو إحدى الحالات الأربع للمادة ، والحالات الأخرى صلبة وغازية وبلازما. دراسة الفيزياء المرتبطة بالسوائل هي مساحة كبيرة بشكل مدهش. ولكن عندما تفكر في مقدار حياتك يعتمد على تدفق المياه عبر الأنابيب ، أو قدرة القوارب على الطفو في المحيط ، أو حتى شراب الفطيرة الخاص بك قادرًا على التدفق بشكل صحيح من عبوته ، فمن السهل معرفة سبب دراسة وفهم السوائل مهم.

هناك أربع حالات رئيسية للمادة: الحالة الصلبة ، والحالة السائلة ، وحالة الغاز ، والبلازما. يمكن أن تتغير المادة من حالة إلى أخرى حسب ظروف الضغط ودرجة الحرارة.

في صلب، جزيئات المادة مرتبطة بإحكام ، والمادة تحمل شكلها. في سائل، الجزيئات أقل إحكامًا وقادرة على الانزلاق أو التدفق عبر بعضها البعض. في غاز، تنفصل الجزيئات عن بعضها البعض. سوف يملأ الغاز دائمًا الحاوية الموجودة فيه ويمكن أن يتوسع ويتقلص بسهولة ، بينما لا يمكن للسوائل والمواد الصلبة (أو على الأقل ليس بنفس القدر). بلازما هي حالة من المادة تحدث عند تسخين الغاز إلى درجة تأينه.

عندما يتكثف الغاز ، وتصبح الجزيئات قريبة بما يكفي للتأثير على بعضها البعض والالتصاق ، يتحول إلى شكل سائل. يتطلب هذا عادةً التبريد ، مما يزيل الطاقة من النظام.

عندما يذوب شيء ما في صورة صلبة ، فإنه يصبح سائلاً. يتطلب هذا عادةً التدفئة التي تضيف الطاقة إلى النظام. مع زيادة درجة حرارة المادة ، تزداد الحركة الجزيئية وتتغلب على القوى بين الجزيئات التي تحاول تثبيت الجزيئات معًا بشكل صارم.

كما ذكرنا سابقًا ، السائل هو حالة من المادة. عدم انضغاط السوائل يعني أن لديهم أ حجم ثابت (حجم محدد) ولا تتوسع أو تتقلص بأي طريقة مهمة مثل الغاز.

في السائل ، ترتبط الجزيئات ببعضها البعض بشكل ضعيف بواسطة قوى متماسكة ويمكن أن تتدفق بحرية عبر بعضها البعض. تأخذ السوائل شكل الجزء السفلي من أي حاوية موجودة فيها ولا تحافظ على شكل محدد مثل المواد الصلبة.

غالبًا ما يتم تصنيف السوائل على أنها من سائل، وهو تصنيف أوسع يتم تطبيقه على كل من السوائل والغازات. السائل مادة يمكن أن تتدفق ، والعديد من قوانين الفيزياء التي تنطبق على تدفق السائل تنطبق أيضًا على تدفق الغازات.

يمكن العثور على أمثلة من السوائل من حولك. من المحتمل أن تكون أكثر ما تعرفه هو الماء لأنه ضروري للحياة ويغطي حوالي 71 في المائة من سطح الأرض. نظرًا لأن الماء في حالة سائلة عند درجات الحرارة القياسية على الأرض ، يُعتقد أنه السبب في أن الحياة كانت قادرة على التكون والازدهار هنا.

هناك بالطبع العديد من المواد الأخرى التي تكون سائلة في درجة حرارة الغرفة بما في ذلك الكحول والبنزين وحتى الزئبق.

المواد التي توجد في صورة سائلة فقط في درجات حرارة أكثر برودة تشمل الأسيتيلين وثاني أكسيد الكربون والميثان والنيتروجين السائل. تشمل المواد التي توجد في صورة سائلة فقط في درجات حرارة أعلى بكثير الألمنيوم والعديد من المعادن الأخرى والكربون والبورسلين والرمل.

الكريستال السائل هي حالة من المادة بين السائل والصلب. تحتوي بعض المواد أساسًا على نقطتي انصهار مختلفتين: إحداهما تصبح فيها بلورات سائلة ، وأخرى أعلى حيث تصبح سائلًا عاديًا. يمكن أن تتدفق البلورات السائلة مثل السائل ولكنها تعرض أيضًا تناظرات مرتبطة عادةً بالمواد الصلبة البلورية. تُستخدم البلورات السائلة في شاشات الساعات والآلات الحاسبة وأجهزة التلفزيون.

الضغط هو مقياس القوة لكل وحدة مساحة. في مادة سائلة ، تضغط جميع جزيئات السائل على بعضها البعض وتخلق الضغط الداخلي. يمكنك أن تتخيل أن جدران الحاوية تشعر بهذه القوة لكل وحدة مساحة أيضًا ، وإذا قمت بعمل ثقب ، فإن الضغط سيجبر السائل على الخروج.

الضغط في السائل هو أيضًا سبب قدرتك على الطفو في حمام السباحة. تتصدى القوة المصاحبة للجاذبية.

تعتمد قيمة الضغط في السائل على كثافة السائل وعمقه. العلاقة على النحو التالي:

أين ص هو الضغط ، ρ كثافة د هو العمق و ز هي عجلة الجاذبية.

حقيقة أن الضغط يزداد مع العمق هو سبب ضرورة توخي الغواصين الحذر. يجب أن يسمحوا لأجسادهم بالتأقلم مع الزيادات والنقصان في الضغط لتجنب الإصابة.

بالنسبة للسائل في الأنبوب ، فإن الاختلافات في الضغط على طول الأنبوب ستؤدي إلى تدفق السائل. هذا لأن الضغط هو في الأساس قوة ، والقوة غير المتوازنة تسبب تغيرًا في الحركة.

كما تعلم على الأرجح ، تطفو بعض الأشياء وتغرق بعض الأشياء ، وحتى الأشياء التي تغرق تميل إلى القيام بذلك ببطء. يخبرنا هذا أنه لا بد أن تكون هناك قوة يطبقها السائل وتقاوم الجاذبية. هذه القوة تسمى قوة الطفو. يصف مبدأ أرخميدس قوة الطفو في السائل ، أي القوة التي تجعل الأشياء تطفو.

يذكر أرخميدس قيمة قوة الطفو بكل بساطة: إنها تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم المغمور. يتم حساب هذا الوزن بسهولة على أنه ناتج حجم الجسم (أو جزء الجسم) المغمور ، وكثافة السائل ، و g ، التسارع الناتج عن الجاذبية.

بما أن قوة الجاذبية على جسم هي حاصل ضرب كتلته و g ، وكتلته تساوي نتاج حجمه وكثافته ، فمن السهل أن نرى أنه من أجل أن تطفو ، يجب أن تكون الأجسام أقل كثافة من ماء.

خاصية أخرى للسوائل هي اللزوجة. اللزوجة هي مقياس لمدى رقة أو سماكة السائل أو مقاومته للتدفق أو للأشياء التي تمر عبره. إذا قارنت شرابًا بالماء ، على سبيل المثال ، ستلاحظ أن الماء يتدفق بشكل أسرع وأسرع من الشراب السميك. وذلك لأن الشراب له لزوجة أعلى. يقال إنه أكثر لزوجة.

تنتج اللزوجة عن الاحتكاك بين الجزيئات في طبقات السائل المتدفق. كلما زاد الاحتكاك ، زادت اللزوجة. تشمل العوامل التي تحدد لزوجة السوائل درجة الحرارة والشكل الجزيئي.