Jaké jsou vlastnosti kapaliny?

Pokud vás někdo požádal, abyste definovali „kapalina“, můžete začít s každodenními zkušenostmi s věcmi, které znáte a které se kvalifikují jako kapaliny a odtud se pokusit zobecnit. Voda je samozřejmě nejdůležitější a všudypřítomná kapalina na Zemi; jedna věc, která ho odlišuje, je, že nemá žádný definitivní tvar, místo toho se přizpůsobuje tvaru všeho, co jej obsahuje, ať už je to náprstek nebo masivní deprese na planetě. Pravděpodobně si spojujete „kapalinu“ s „tekoucím“, jako je říční proud, nebo roztavený led stékající po straně skály.

Tato myšlenka „Znáte kapalinu, když ji vidíte“ má však své limity. Voda je zjevně kapalina, stejně jako soda. Ale co mléčný koktejl, který se rozprostírá po jakémkoli povrchu, na který se nalévá, ale pomaleji než voda nebo soda. A pokud je mléčný koktejl kapalina, co třeba zmrzlina, která se právě roztaví? Nebo samotná zmrzlina? Jak se to stalo, fyzici vytvořili formální definice kapaliny spolu s dalšími dvěma skupenstvími hmoty.

Hmota může existovat v jednom ze tří stavů: jako pevná látka, kapalina nebo plyn. Můžete vidět lidi, kteří používají „tekutina“ a „tekutina“ zaměnitelně v běžném jazyce, například „Pijte hodně tekutin, když cvičíte v horkém počasí“ a „Při maratonu je důležité konzumovat hodně tekutin.“ Ale formálně tvoří kapalný stav hmoty a plynný stav hmoty společně tekutiny. Kapalina je cokoli, co postrádá schopnost odolávat deformaci. Ačkoli ne všechny kapaliny jsou kapaliny, fyzikální rovnice pro kapaliny platí univerzálně pro kapaliny i pro plyny. Proto lze jakýkoli matematický problém, který má být vyřešen a který se týká kapalin, vyřešit pomocí rovnic, které řídí dynamiku a kinetiku tekutin.

Pevné látky, kapaliny a plyny jsou vyrobeny z mikroskopických částic, přičemž chování každého z nich určuje výsledný stav hmoty. V pevné látce jsou částice těsně zabaleny, obvykle v pravidelném vzoru; tyto částice vibrují nebo „vrtí“, ale obecně se nepohybují z místa na místo. V plynu jsou částice dobře odděleny a nemají pravidelné uspořádání; vibrují a volně se pohybují značnými rychlostmi. Částice v kapalině jsou blízko sebe, i když ne tak těsně zabalené jako pevné látky. Tyto částice nemají žádné pravidelné uspořádání a v tomto ohledu připomínají spíše plyny než pevné látky. Částice vibrují, pohybují se a klouzají kolem sebe.

Jak plyny, tak kapaliny předpokládají tvar jakýchkoli nádob, které zaujímají, vlastnost pevných látek nemá. Plyny, protože mají obvykle tolik prostoru mezi částicemi, jsou snadno stlačeny mechanickými silami. Kapaliny se nestlačují snadno a pevné látky se stále méně snadno stlačují. Jak plyny, tak kapaliny, které, jak je uvedeno výše, se společně nazývají tekutiny, proudí snadno; pevné látky ne.

Zaprvé, tekutiny kinematické vlastnostinebo vlastnosti související s pohybem kapaliny, jako je rychlost a zrychlení. Tělesa samozřejmě mají také takové vlastnosti, ale rovnice použité k jejich popisu se liší. Zadruhé, tekutiny mají termodynamické vlastnosti, které popisují termodynamický stav tekutiny. Tyto zahrnují:

• teplota
  
• tlak
  
• hustota
  
• vnitřní energie
  
• specifická entropie
  
• specifická entalpie
  
• ostatní

Zde bude podrobně uvedeno pouze několik z nich. Nakonec mají tekutiny řadu různých vlastností, které nespadají do žádné z dalších dvou kategorií (např. Viskozita, míra tření tekutiny; povrchové napětí; a tlak par).

Dvěma kapalinami, které mají v reálném světě velký význam, jsou voda a vzduch. Mezi běžné druhy kapalin kromě vody patří olej, benzín, petrolej, rozpouštědla a nápoje. Mnoho z nejčastěji se vyskytujících kapalin, včetně paliv a rozpouštědel, je jedovatých, hořlavých nebo jinak nebezpečných, což je činí nebezpečnými pro mít v domácnosti, protože pokud se jich děti chytí, mohou si je zaměnit s pitnými tekutinami a konzumovat je, což vede ke zoufalým zdravotním stavům.

Lidské tělo a ve skutečnosti téměř celý život je převážně voda. Krev se nepovažuje za kapalinu, protože pevné látky v krvi nejsou v ní rovnoměrně rozptýleny nebo zcela rozpuštěny. Místo toho se to považuje za pozastavení. Plazmatická složka krve může být pro většinu účelů považována za kapalinu. Bez ohledu na to je údržba tekutin zásadní pro každodenní život. Ve většině situací lidé nemyslí na to, jak důležité jsou pitné kapaliny pro přežití, protože v moderním světě je vzácné nemít snadný přístup k čisté vodě. Lidé se však běžně dostávají do fyzických potíží v důsledku nadměrných ztrát tekutin během sportovních soutěží, jako jsou maratony, fotbalové hry atd triatlony, i když některé z těchto akcí zahrnují doslova desítky asistenčních stanic nabízejících vodu, sportovní nápoje a energetické gely (což lze považovat za kapaliny). Je kuriozitou evoluce, že tolik lidí dokáže dehydratovat, i když to obvykle vědí kolik musí vypít, aby dosáhli špičkového výkonu nebo se alespoň vyhnuli likvidaci v lékařství stan.

Některé z fyziky tekutin byly popsány, pravděpodobně natolik, aby vám umožnily udržet si vlastní základní vědeckou konverzaci o vlastnostech kapaliny. Věci se však stávají obzvláště zajímavými v oblasti proudění tekutin.

Mechanika tekutin je odvětví fyziky, které studuje dynamické vlastnosti tekutin. V této části z důvodu důležitosti vzduchu a dalších plynů v letectví a jiných technických oborech „kapalinou“ se může rozumět kapalina nebo plyn - jakákoli látka, která mění tvar rovnoměrně v reakci na vnější síly. Pohyb tekutin lze charakterizovat diferenciálními rovnicemi, které vycházejí z počtu. Pohyb tekutin, stejně jako pohyb pevných látek, přenáší v toku hmotu, hybnost (hmotnost krát rychlost) a energii (sílu vynásobenou vzdáleností). Pohyb tekutin lze dále popsat pomocí konzervačních rovnic, jako jsou například Navier-Stokesovy rovnice.

Jedním ze způsobů, jakým se tekutiny pohybují, že pevné látky nikoli, je to, že vykazují střih. Je to důsledek připravenosti, s jakou lze kapaliny deformovat. Stříhání označuje rozdílné pohyby uvnitř tělesa tekutiny v důsledku působení asymetrických sil. Příkladem je kanál vody, který vykazuje víry a další lokalizované pohyby, i když se voda jako celek pohybuje kanálem pevnou rychlostí, pokud jde o objem za jednotku času. Smykové napětí τ (řecké písmeno tau) kapaliny se rovná gradientu rychlosti (du / dy) vynásobenému dynamickou viskozitou μ; tj. τ = μ (du / dy).

Mezi další pojmy související s pohyby tekutin patří tažení a zvedání, které jsou v leteckém inženýrství klíčové. Drag je odporová síla, která přichází ve dvou formách: Surface drag, která působí pouze na povrch tělesa, které se pohybuje voda (např. pokožka plavce), a formovat odpor, který má co do činění s celkovým tvarem těla pohybujícím se přes tekutina. Tato síla je napsána:

F_D = C._DρA (v²/2)

Kde C je konstanta, která závisí na povaze objektu zažívajícího odpor, ρ je hustota, A je plocha průřezu a v je rychlost. Podobně je zdvih, což je čistá síla, která působí kolmo na směr pohybu kapaliny, popsán výrazem:

F_L = C._LρA (v²/2)

Asi 60 procent celkové hmotnosti vašeho těla tvoří voda. Zhruba dvě třetiny z toho, nebo 40 procent vaší celkové hmotnosti, jsou uvnitř buněk, zatímco druhá třetina, nebo 20 procent vaší hmotnosti, je v takzvaném extracelulárním prostoru. Vodní složka krve je v tomto extracelulárním prostoru a tvoří asi čtvrtinu veškeré extracelulární vody, tj. 5 procent z celkového množství těla. Protože asi 60 procent vaší krve ve skutečnosti sestává z plazmy, zatímco dalších 40 procent tvoří pevné látky (např. červené krvinky), můžete podle toho vypočítat, kolik krve máte v těle hmotnost.

Osoba vážící 70 kg má v těle asi (0,60) (70) = 42 kg vody. Jedna třetina by byla extracelulární tekutina, asi 14 kg. Čtvrtou z toho by byla krevní plazma - 3,5 kg. To znamená, že celkové množství krve v těle této osoby váží asi (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.