Hvad er egenskaberne ved væske?

Hvis nogen bad dig om at definere "væske", kan du starte med din daglige erfaring med ting, du kender, der kvalificerer som væsker og forsøge at generalisere derfra. Vand er selvfølgelig den vigtigste og allestedsnærværende væske på jorden; en ting, der adskiller det, er, at det ikke har nogen bestemt form, i stedet for at være i overensstemmelse med formen på det, der indeholder det, være dette et fingerbøl eller en massiv depression på planeten. Du forbinder sandsynligvis "væske" med "flydende", såsom en flodstrøm eller smeltet is, der løber ned ad siden af ​​en klippe.

Denne "du kender en væske, når du ser en" -idé har dog sine grænser. Vand er helt klart en væske, ligesom sodavand er. Men hvad med en milkshake, der spreder sig ud over enhver overflade, den hældes på, men langsommere end vand eller sodavand. Og hvis en milkshake er en væske, hvad med is, der lige er ved at smelte? Eller is i sig selv? Mens det sker, har fysikere med hjælp produceret formelle definitioner af en væske sammen med de to andre sager.

Materie kan eksistere i en af ​​tre tilstande: Som et fast stof, en væske eller en gas. Du kan muligvis se folk, der bruger "flydende" og "væske" om hverandre i hverdagssproget, såsom "Drik masser af væske, når du træner i varmt vejr" og "Det er vigtigt at indtage en masse væsker, når man løber en maraton." Men formelt udgør den flydende tilstand af stof og gastilstanden af ​​stof sammen væsker. En væske er alt, hvad der mangler evnen til at modstå deformation. Selvom ikke alle væsker er væsker, gælder de fysiske ligninger, der styrer væsker, universelt på væsker såvel som på gasser. Derfor kan ethvert matematisk problem, du bliver bedt om at løse, og som involverer væsker, udarbejdes ved hjælp af ligningerne, der styrer væskedynamik og kinetik.

Tørstoffer, væsker og gasser er fremstillet af mikroskopiske partikler, idet hver opførsel bestemmer den resulterende tilstand af stof. I et fast stof pakkes partikler tæt, normalt i et regelmæssigt mønster; disse partikler vibrerer eller "jiggler", men bevæger sig generelt ikke fra sted til sted. I en gas er partikler godt adskilt og har ikke regelmæssigt arrangement; de vibrerer og bevæger sig frit i betydelige hastigheder. Partikler i en væske er tæt på hinanden, men ikke så tæt pakket som i faste stoffer. Disse partikler har intet regelmæssigt arrangement og ligner gasser snarere end faste stoffer i denne henseende. Partiklerne vibrerer, bevæger sig omkring og glider forbi hinanden.

Både gasser og væsker antager formen af ​​de beholdere, de optager, en fast ejendom ikke har. Gasser, fordi de normalt har så meget plads mellem partikler, komprimeres let af mekaniske kræfter. Væsker komprimeres ikke let, og faste stoffer komprimeres stadig mindre let. Både gasser og væsker, som som nævnt ovenfor kaldes sammen væsker, flyder let; faste stoffer ikke.

For det første har væsker det kinematiske egenskaber, eller egenskaber relateret til væskebevægelse, såsom hastighed og acceleration. Faste stoffer har selvfølgelig også sådanne egenskaber, men ligningerne, der bruges til at beskrive dem, er forskellige. For det andet har væsker det termodynamiske egenskaber, der beskriver en væskes termodynamiske tilstand. Disse inkluderer:

• temperatur
  
• tryk
  
• massefylde
  
• intern energi
  
• specifik entropi
  
• specifik entalpi
  
• andre

Kun et par af disse vil blive beskrevet her. Endelig har væsker et antal forskellige egenskaber, der ikke falder inden for nogen af ​​de to andre kategorier (f.eks. Viskositet, et mål for væskens friktion; overfladespænding; og damptryk).

De to væsker af stor interesse i den virkelige verden er vand og luft. Almindelige typer væsker ud over vand inkluderer olie, benzin, petroleum, opløsningsmidler og drikkevarer. Mange af de mere almindeligt forekommende væsker, herunder brændstoffer og opløsningsmidler, er giftige, brandfarlige eller på anden måde farlige, hvilket gør dem farlige for har i hjemmet, for hvis børn får fat i dem, kan de forveksle dem med drikkevand og forbruge dem, hvilket fører til alvorlige sundhedssituationer.

Den menneskelige krop og faktisk næsten alt liv er overvejende vand. Blod betragtes ikke som en væske, fordi de faste stoffer i blodet ikke er jævnt spredt igennem eller fuldt opløst i det. I stedet betragtes det som en suspension. Plasmakomponenten i blod kan betragtes som en væske til de fleste formål. Uanset hvad er væskevedligeholdelse afgørende for hverdagen. I de fleste situationer tænker folk ikke på, hvor kritisk drikkevæsker er for at overleve, for i den moderne verden er det sjældent ikke at have klar adgang til rent vand. Men folk får rutinemæssigt fysiske problemer som følge af overdrevent væsketab under sportskonkurrencer som maraton, fodboldkampe og triatlon, selvom nogle af disse begivenheder inkluderer bogstaveligt talt snesevis af hjælpestationer, der tilbyder vand, sportsdrikke og energigeler (som kan overvejes væsker). Det er en nysgerrighed i evolutionen, at så mange mennesker formår at blive dehydreret, selvom de normalt ved det hvor meget de skal drikke for at opnå den bedste præstation eller i det mindste undgå afvikling i medicinen telt.

Nogle af væskens fysik er blevet beskrevet, sandsynligvis nok til at give dig mulighed for at holde dig selv i en grundlæggende videnskabelig samtale om flydende egenskaber. Det er dog i området med væskestrømning, hvor tingene bliver særlig interessante.

Væskemekanik er den gren af ​​fysikken, der studerer væskers dynamiske egenskaber. I dette afsnit på grund af vigtigheden af ​​luft og andre gasser inden for luftfart og andre tekniske områder, "væske" kan henvise til enten en væske eller en gas - ethvert stof, der ændrer form ensartet som reaktion på det ydre kræfter. Væskens bevægelse kan karakteriseres ved differentialligninger, der stammer fra calculus. Bevægelse af væsker, som bevægelse af faste stoffer, overfører masse, momentum (masse gange hastighed) og energi (kraft ganget med afstand) i strømmen. Derudover kan væskens bevægelse beskrives ved konserveringsligninger, såsom Navier-Stokes-ligningerne.

En måde, hvorpå væsker bevæger sig, som faste stoffer ikke er, er at de udviser klipning. Dette er en konsekvens af den beredskab, hvormed væsker kan deformeres. Klipning refererer til forskellige bevægelser i en væskekrop som et resultat af anvendelsen af ​​asymmetriske kræfter. Et eksempel er en vandkanal, der udviser hvirvler og andre lokaliserede bevægelser, selv når vandet som helhed bevæger sig gennem kanalen med en fast hastighed i form af volumen pr. Tidsenhed. Forskydningsspændingen τ (det græske bogstav tau) for en væske er lig med hastighedsgradienten (du / dy) ganget med den dynamiske viskositet μ; det vil sige τ = μ (du / dy).

Andre begreber relateret til væskebevægelser inkluderer træk og løft, som begge er afgørende inden for luftfartsteknik. Træk er en modstandskraft, der kommer i to former: Overfladetræk, der virker på overfladen af ​​en krop, der bevæger sig igennem vand (fx en svømmeres hud) og danner træk, hvilket har at gøre med den overordnede form af kroppen, der bevæger sig gennem væske. Denne kraft er skrevet:

F_D = C_DρA (v²/2)

Hvor C er en konstant, der afhænger af arten af ​​objektet, der oplever træk, er ρ tæthed, A er tværsnitsareal, og v er hastighed. Tilsvarende er løft, som er en netkraft, der virker vinkelret på retningen af ​​en væskes bevægelse, beskrevet af udtrykket:

F_L = C_LρA (v²/2)

Cirka 60 procent af den samlede vægt af din krop består af vand. Omkring to tredjedele af dette eller 40 procent af din samlede vægt er inde i celler, mens den anden tredjedel eller 20 procent af din vægt befinder sig i det, der kaldes det ekstracellulære rum. Vandkomponenten i blodet er i dette ekstracellulære rum og tegner sig for ca. en fjerdedel af alt ekstracellulært vand, dvs. 5 procent af kroppens samlede. Da ca. 60 procent af dit blod faktisk består af plasma, mens de andre 40 procent er faste stoffer (f.eks. røde blodlegemer), kan du beregne, hvor meget blod du har i din krop baseret på din vægt.

En person på 70 kg (154 pund) har ca. (0,60) (70) = 42 kg vand i sin krop. En tredjedel ville være ekstracellulær væske, ca. 14 kg. En fjerde af dette ville være blodplasma - 3,5 kg. Dette betyder, at den samlede mængde blod i denne persons krop vejer ca. (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.