Какви са свойствата на течността?

Ако някой ви помоли да дефинирате „течност“, може да започнете с ежедневния си опит с неща, които знаете, които се квалифицират като течности, и да се опитате да обобщите оттам. Водата, разбира се, е най-важната и повсеместна течност на Земята; нещо, което го отличава, е, че той няма определена форма, а съответства на формата на каквото и да го съдържа, било то напръстник или масивна депресия на планетата. Вероятно свързвате "течност" с "течаща", като речно течение или разтопен лед, стичащ се отстрани на скала.

Тази идея „Знаеш течност, когато я видиш“ обаче има своите граници. Водата очевидно е течност, както и содата. Но какво ще кажете за млечен шейк, който се разпространява върху всяка повърхност, върху която се излива, но по-бавно от вода или сода. И ако млечният шейк е течност, тогава какво ще кажете за сладолед, който е на път да се разтопи? Или самият сладолед? Както се случва, физиците полезно са изготвили официални дефиниции на течност, заедно с другите две материални състояния.

Материята може да съществува в едно от трите състояния: Като твърдо вещество, течност или газ. Може да видите хора, използващи „течност“ и „течност“ взаимозаменяемо на всекидневния език, като например „Пийте много течности, когато тренирате в горещо време“ и "Важно е да се консумират много течности, когато се кара маратон." Но формално течното състояние на веществото и газовото състояние на материята заедно съставляват течности. Течността е всичко, което няма способността да устои на деформация. Въпреки че не всички течности са течности, физическите уравнения, регулиращи течностите, се прилагат универсално както за течности, така и за газове. Следователно всеки математически проблем, който трябва да решите, който включва течности, може да бъде разработен с помощта на уравненията, регулиращи динамиката на течностите и кинетиката.

Твърдите вещества, течностите и газовете са направени от микроскопични частици, като поведението на всеки определя резултантното състояние на материята. В твърдо вещество частиците са плътно опаковани, обикновено по правилен модел; тези частици вибрират или „дрънкат“, но като цяло не се движат от място на място. При газ частиците са добре отделени и нямат правилно разположение; те вибрират и се движат свободно със значителни скорости. Частиците в течността са близо една до друга, макар и не толкова плътно опаковани, колкото в твърди частици. Тези частици нямат правилно разположение и в това отношение приличат на газове, а не на твърди вещества. Частиците вибрират, движат се и се плъзгат една по друга.

Както газовете, така и течностите приемат формата на каквито и съдове да заемат, а свойствата на твърдите вещества нямат. Газовете, тъй като обикновено имат толкова много място между частиците, лесно се компресират от механични сили. Течностите не се компресират лесно, а твърдите вещества все още се компресират по-малко. Както газовете, така и течностите, които, както беше отбелязано по-горе, се наричат ​​заедно течности, текат лесно; твърдите вещества не.

Първо, течностите имат кинематични свойства, или свойства, свързани с движението на течността, като скорост и ускорение. Твърдите вещества, разбира се, също имат такива свойства, но уравненията, използвани за тяхното описание, са различни. Второ, течностите имат термодинамични свойства, които описват термодинамичното състояние на течността. Те включват:

• температура
  
• натиск
  
• плътност
  
• вътрешна енергия
  
• специфична ентропия
  
• специфична енталпия
  
• други

Тук ще бъдат описани само някои от тях. И накрая, флуидите имат редица различни свойства, които не попадат в нито една от другите две категории (напр. Вискозитет, мярка за триене на флуида; повърхностно напрежение; и налягане на парите).

Двете течности, представляващи основен интерес в реалния свят, са водата и въздухът. Често срещаните видове течности в допълнение към водата включват масло, бензин, керосин, разтворители и напитки. Много от най-често срещаните течности, включително горива и разтворители, са отровни, запалими или опасни по друг начин, което ги прави опасни за имат в дома, защото ако децата се доберат до тях, те могат да ги объркат с питейни течности и да ги консумират, което води до ужасни здравни спешни случаи.

Човешкото тяло и всъщност почти целият живот е предимно вода. Кръвта не се счита за течност, тъй като твърдите вещества в кръвта не са равномерно диспергирани в нея или напълно разтворени в нея. Вместо това се счита за спиране. Плазменият компонент на кръвта може да се разглежда като течност за повечето цели. Независимо от това, поддържането на течности е жизненоважно за ежедневието. В повечето ситуации хората не се замислят колко критични са питейните течности за оцеляването, защото в съвременния свят рядко има липса на готов достъп до чиста вода. Но хората рутинно се сблъскват с физически проблеми в резултат на прекомерни загуби на течности по време на спортни състезания като маратони, футболни мачове и триатлони, въпреки че някои от тези събития включват буквално десетки помощни пунктове, предлагащи вода, спортни напитки и енергийни гелове (което може да се счита течности). Любопитството на еволюцията е, че толкова много хора успяват да се дехидратират, въпреки че обикновено знаят колко трябва да изпият, за да постигнат най-добро представяне или поне да избегнат ликвидацията в медицинската палатка.

Описани са някои от физиката на течностите, вероятно достатъчно, за да ви позволи да се държите в основен научен разговор за течните свойства. Нещата обаче стават особено интересни в областта на течността.

Механиката на флуидите е клонът на физиката, който изучава динамичните свойства на флуидите. В този раздел, поради важността на въздуха и другите газове в аеронавтиката и други инженерни области, "течност" може да се отнася или за течност, или за газ - всяко вещество, което променя равномерно формата си в отговор на външни сили. Движението на флуидите може да се характеризира с диференциални уравнения, които произтичат от смятане. Движението на флуиди, подобно на движението на твърди вещества, прехвърля маса, импулс (маса по скорост) и енергия (сила, умножена по разстояние) в потока. В допълнение, движението на флуидите може да бъде описано чрез уравнения за запазване, като уравненията на Навие-Стокс.

Един от начините, по които течностите се движат, а твърдите не се движат, е, че те проявяват срязване. Това е следствие от готовността, с която течностите могат да се деформират. Срязването се отнася до диференциални движения в тялото на течност в резултат на прилагането на асиметрични сили. Пример за това е воден канал, който показва вихри и други локализирани движения, дори когато водата като цяло се движи през канала с фиксирана скорост по отношение на обема за единица време. Срязващото напрежение τ (гръцката буква tau) на флуида е равно на градиента на скоростта (du / dy), умножен по динамичния вискозитет μ; т.е. τ = μ (du / dy).

Други понятия, свързани с движенията на течности, включват плъзгане и повдигане, и двете от които са решаващи за авиационното инженерство. Съпротивлението е съпротивителна сила, която се предлага в две форми: Повърхностно съпротивление, което действа само върху повърхността на тялото, движещо се през него вода (напр. кожата на плувец) и образуват съпротивление, което е свързано с цялостната форма на тялото, движещо се през течност. Тази сила е написана:

F_д = С_дρA (v²/2)

Където C е константа, която зависи от естеството на обекта, изпитващ съпротивление, ρ е плътност, A е площ на напречното сечение и v е скорост. По същия начин повдигането, което е нетна сила, която действа перпендикулярно на посоката на движение на течността, се описва с израза:

F_L = С_LρA (v²/2)

Около 60 процента от общото тегло на тялото ви се състои от вода. Приблизително две трети от това, или 40 процента от общото ви тегло, е вътре в клетките, докато другата трета, или 20 процента от вашето тегло, е в това, което се нарича извънклетъчно пространство. Водният компонент на кръвта се намира в това извънклетъчно пространство и представлява около една четвърт от цялата извънклетъчна вода, т.е. 5% от общото количество на тялото. Тъй като около 60 процента от кръвта ви всъщност се състои от плазма, докато останалите 40 процента са твърди вещества (напр. червени кръвни клетки), можете да изчислите колко кръв имате в тялото си въз основа на вашата тегло.

Човек от 70 кг (154 паунда) има около (0,60) (70) = 42 кг вода в тялото си. Една трета би била извънклетъчна течност, около 14 кг. Една четвърт от това би била кръвната плазма - 3,5 кг. Това означава, че общото количество кръв в тялото на този човек тежи около (3,5 кг / 0,6) = 5,8 кг.