إذا طلب منك شخص ما تعريف "السائل" ، فقد تبدأ بتجربتك اليومية مع الأشياء التي تعرف أنها مؤهلة كسوائل وتحاول التعميم من هناك. الماء ، بالطبع ، هو أهم سائل موجود في كل مكان على وجه الأرض ؛ الشيء الوحيد الذي يميزه هو أنه ليس له شكل محدد ، وبدلاً من ذلك يتوافق مع شكل كل ما يحتويه ، سواء كان هذا كشتبانًا أو منخفضًا هائلًا في الكوكب. ربما تربط "السائل" بـ "المتدفق" ، مثل تيار النهر ، أو الجليد الذائب المتدفق أسفل جانب الصخرة.
ومع ذلك ، فإن فكرة "أنت تعرف السائل عندما ترى واحدة" لها حدودها. من الواضح أن الماء سائل ، مثل الصودا. ولكن ماذا عن اللبن المخفوق ، الذي ينتشر على أي سطح يُسكب عليه ، ولكن بشكل أبطأ من الماء أو الصودا. وإذا كان اللبن المخفوق سائلًا ، فماذا عن الآيس كريم الذي على وشك الذوبان؟ أو الآيس كريم نفسه؟ كما يحدث ، أنتج الفيزيائيون بشكل مفيد تعريفات رسمية للسائل ، إلى جانب حالتين أخريين من المادة.
ما هي حالات المادة المختلفة؟
يمكن أن توجد المادة في إحدى الحالات الثلاث: كمادة صلبة أو سائلة أو غازية. قد ترى أشخاصًا يستخدمون كلمة "سائلة" و "سائلة" بالتبادل في اللغة اليومية ، مثل ، "اشرب الكثير من السوائل عند ممارسة الرياضة في الطقس الحار" و "من المهم أن تستهلك الكثير من السوائل عند إجراء سباق الماراثون." لكن من الناحية الرسمية ، تتشكل الحالة السائلة للمادة والحالة الغازية للمادة معًا سوائل. السائل هو أي شيء يفتقر إلى القدرة على مقاومة التشوه. على الرغم من أن السوائل ليست كلها سوائل ، فإن المعادلات الفيزيائية التي تحكم السوائل تنطبق بشكل عام على السوائل وكذلك الغازات. لذلك ، يمكن حل أي مشكلة رياضية يُطلب منك حلها تتعلق بالسوائل باستخدام المعادلات التي تحكم ديناميكيات وحركية الموائع.
تتكون المواد الصلبة والسوائل والغازات من جزيئات مجهرية ، مع سلوك كل منها يحدد الحالة الناتجة للمادة. في المواد الصلبة ، تكون الجسيمات معبأة بإحكام ، وعادة ما تكون بنمط منتظم ؛ تهتز هذه الجسيمات ، أو "تهتز" ، لكنها لا تنتقل بشكل عام من مكان إلى آخر. في الغاز ، تكون الجسيمات منفصلة جيدًا وليس لها ترتيب منتظم ؛ إنها تهتز وتتحرك بحرية بسرعات كبيرة. تكون الجزيئات في السائل قريبة من بعضها البعض ، على الرغم من أنها ليست معبأة بإحكام كما في المواد الصلبة. هذه الجسيمات ليس لها ترتيب منتظم وتشبه الغازات بدلاً من المواد الصلبة في هذا الصدد. تهتز الجسيمات وتتحرك وتنزلق أمام بعضها البعض.
تتخذ كل من الغازات والسوائل شكل أي حاوية تشغلها ، وهي خاصية لا تحتوي عليها المواد الصلبة. نظرًا لأن الغازات عادة ما تحتوي على مساحة كبيرة بين الجسيمات ، يتم ضغطها بسهولة بواسطة القوى الميكانيكية. لا يتم ضغط السوائل بسهولة ، ولا تزال المواد الصلبة أقل سهولة في الضغط. يتدفق كل من الغازات والسوائل ، كما هو مذكور أعلاه ، سوائل ، بسهولة ؛ المواد الصلبة لا تفعل ذلك.
ما هي خواص السوائل؟
أولا ، السوائل لها الخصائص الحركية، أو الخصائص المتعلقة بحركة السوائل ، مثل السرعة والتسارع. المواد الصلبة بالطبع لها مثل هذه الخصائص أيضًا ، لكن المعادلات المستخدمة لوصفها مختلفة. ثانيًا ، السوائل لها الخصائص الديناميكية الحرارية، والتي تصف الحالة الديناميكية الحرارية للسائل. وتشمل هذه:
- درجة الحرارة
- الضغط
- كثافة
- الطاقة الداخلية
- إنتروبيا محددة
- المحتوى الحراري المحدد
- الآخرين
سيتم تفصيل عدد قليل فقط من هذه هنا. أخيرًا ، للسوائل عدد من الخصائص المتنوعة التي لا تقع في أي من الفئتين الأخريين (على سبيل المثال ، اللزوجة ، مقياس احتكاك السائل ؛ التوتر السطحي؛ وضغط البخار).
ما هي أنواع السوائل المختلفة؟
السائلان الأكثر أهمية في العالم الحقيقي هما الماء والهواء. تشمل الأنواع الشائعة من السوائل بالإضافة إلى الماء الزيت والبنزين والكيروسين والمذيبات والمشروبات. العديد من السوائل الأكثر شيوعًا ، بما في ذلك الوقود والمذيبات ، سامة أو قابلة للاشتعال أو خطرة بطريقة أخرى ، مما يجعلها خطرة على موجودة في المنزل لأن الأطفال إذا أمسكوا بها ، فقد يخلطون بينها وبين السوائل الصالحة للشرب ويستهلكونها ، مما يؤدي إلى حالات طوارئ صحية خطيرة.
إن جسم الإنسان ، وفي الواقع كل أشكال الحياة تقريبًا ، هو في الغالب ماء. لا يعتبر الدم سائلاً ، لأن المواد الصلبة في الدم لا تتشتت بالتساوي أو تذوب تمامًا فيه. بدلاً من ذلك ، يعتبر تعليقًا. يمكن اعتبار مكون البلازما في الدم سائلاً لمعظم الأغراض. بغض النظر ، فإن صيانة السوائل أمر حيوي للحياة اليومية. في معظم الحالات ، لا يفكر الناس في مدى أهمية السوائل الصالحة للشرب للبقاء على قيد الحياة ، لأنه من النادر في العالم الحديث عدم الحصول على المياه النظيفة بسهولة. لكن الأشخاص يتعرضون بشكل روتيني لمشاكل جسدية نتيجة لخسارة السوائل بشكل مفرط أثناء المنافسات الرياضية مثل سباقات الماراثون وألعاب كرة القدم و الترياتلون ، على الرغم من أن بعض هذه الأحداث تتضمن حرفيًا العشرات من محطات المساعدة التي تقدم المياه والمشروبات الرياضية والمواد الهلامية للطاقة (والتي يمكن اعتبارها السوائل). إن فضول التطور هو أن الكثير من الناس يصابون بالجفاف حتى وهم يعرفون ذلك عادة كم يجب أن يشربوا من أجل تحقيق أفضل أداء أو على الأقل تجنب إنهاء العمل في الطب خيمة.
تدفق السائل
تم وصف بعض فيزياء السوائل ، ربما تكون كافية للسماح لك بإجراء محادثة علمية أساسية حول خصائص السائل. ومع ذلك ، فإنه في مجال تدفق السوائل حيث تصبح الأشياء مثيرة للاهتمام بشكل خاص.
ميكانيكا الموائع هي فرع الفيزياء الذي يدرس الخصائص الديناميكية للسوائل. في هذا القسم ولأهمية الهواء والغازات الأخرى في صناعة الطيران والمجالات الهندسية الأخرى ، قد يشير مصطلح "سائل" إلى سائل أو غاز - أي مادة يتغير شكلها بشكل موحد استجابةً لما هو خارجي القوات. يمكن وصف حركة السوائل بواسطة المعادلات التفاضلية التي تنبع من التفاضل والتكامل. تنقل حركة السوائل ، مثل حركة المواد الصلبة ، الكتلة والزخم (الكتلة مضروبة في السرعة) والطاقة (القوة مضروبة في المسافة) في التدفق. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن وصف حركة السوائل من خلال معادلات الحفظ ، مثل معادلات نافيير-ستوكس.
إحدى الطرق التي تتحرك بها السوائل مع عدم تحرك المواد الصلبة هي أنها تظهر القص. هذا نتيجة للاستعداد الذي يمكن به تشويه السوائل. يشير القص إلى الحركات التفاضلية داخل جسم السائل نتيجة لتطبيق قوى غير متكافئة. مثال على ذلك هو قناة الماء ، التي تعرض دوامات وحركات محلية أخرى حتى عندما يتحرك الماء ككل عبر القناة بمعدل ثابت من حيث الحجم لكل وحدة زمنية. إجهاد القص τ (الحرف اليوناني tau) للسائل يساوي تدرج السرعة (du / dy) مضروبًا في اللزوجة الديناميكية μ ؛ وهذا هو ، τ = μ (du / dy).
تشمل المفاهيم الأخرى المتعلقة بحركات السوائل السحب والرفع ، وكلاهما مهم في هندسة الطيران. السحب عبارة عن قوة مقاومة تأتي في شكلين: السحب السطحي ، والذي يعمل فقط على سطح الجسم الذي يتحرك من خلاله الماء (على سبيل المثال ، جلد السباح) ، وشكل السحب ، والذي له علاقة بالشكل العام للجسم الذي يتحرك عبر سائل. هذه القوة مكتوبة:
Fد = جدρA (v2/2)
حيث C ثابت يعتمد على طبيعة الكائن الذي يعاني من السحب ، ρ هي الكثافة ، A هي منطقة المقطع العرضي و v هي السرعة. وبالمثل ، يتم وصف قوة الرفع ، وهي القوة الكلية التي تعمل بشكل عمودي على اتجاه حركة المائع ، من خلال التعبير:
Fإل = جإلρA (v2/2)
السوائل في فسيولوجيا الإنسان
يتكون حوالي 60 بالمائة من الوزن الإجمالي لجسمك من الماء. ما يقرب من ثلثي هذا ، أو 40 في المائة من وزنك الإجمالي ، موجود داخل الخلايا ، في حين أن الثلث الآخر ، أو 20 في المائة من وزنك ، موجود في ما يسمى الفضاء خارج الخلية. يقع المكون المائي للدم في هذا الفضاء خارج الخلية ، ويمثل حوالي ربع إجمالي المياه خارج الخلية ، أي 5 في المائة من إجمالي الجسم. بما أن حوالي 60 بالمائة من الدم يتكون في الواقع من البلازما بينما الـ 40 بالمائة الأخرى عبارة عن مواد صلبة (على سبيل المثال ، خلايا الدم الحمراء) ، يمكنك حساب كمية الدم الموجودة في جسمك بناءً على وزن.
الشخص الذي يبلغ وزنه 70 كجم (154 رطلاً) لديه حوالي (0.60) (70) = 42 كجم من الماء في جسده. سيكون ثلث السائل خارج الخلية ، حوالي 14 كجم. ربع هذا سيكون بلازما الدم - 3.5 كجم. وهذا يعني أن كمية الدم الإجمالية في جسم هذا الشخص تزن حوالي (3.5 كجم / 0.6) = 5.8 كجم.
