Was sind die Eigenschaften von Flüssigkeit?

Wenn Sie jemand gebeten hat, "Flüssigkeit" zu definieren, könnten Sie mit Ihrer täglichen Erfahrung mit Dingen beginnen, die Sie kennen, die als Flüssigkeiten gelten, und versuchen, von dort aus zu verallgemeinern. Wasser ist natürlich die wichtigste und allgegenwärtigste Flüssigkeit auf der Erde; Eine Sache, die es auszeichnet, ist, dass es keine bestimmte Form hat, sondern sich an die Form dessen anpasst, was es enthält, sei es ein Fingerhut oder eine massive Vertiefung auf dem Planeten. Sie assoziieren "Flüssigkeit" wahrscheinlich mit "fließen", wie zum Beispiel eine Flussströmung oder geschmolzenes Eis, das an der Seite eines Felsens herunterläuft.

Diese „Flüssigkeit erkennt man, wenn man eine sieht“ hat jedoch ihre Grenzen. Wasser ist eindeutig eine Flüssigkeit, ebenso wie Soda. Aber was ist mit einem Milchshake, der sich auf jeder Oberfläche ausbreitet, auf die er gegossen wird, aber langsamer als Wasser oder Soda. Und wenn ein Milchshake flüssig ist, wie wäre es dann mit Eis, das kurz vor dem Schmelzen steht? Oder Eis selbst? Zufälligerweise haben Physiker zusammen mit den anderen beiden Aggregatzuständen hilfreich formale Definitionen einer Flüssigkeit erstellt.

Materie kann in einem von drei Zuständen existieren: Als Festkörper, Flüssigkeit oder Gas. Sie können sehen, dass Leute "Flüssigkeit" und "Flüssigkeit" in der Alltagssprache austauschbar verwenden, z. B. "Trinken Sie viel Flüssigkeit, wenn Sie bei heißem Wetter trainieren" und "Beim Marathonlauf ist es wichtig, viel Flüssigkeit zu sich zu nehmen." Aber formal bilden der flüssige Aggregatzustand und der gasförmige Aggregatzustand zusammen Flüssigkeiten. Eine Flüssigkeit ist alles, was nicht die Fähigkeit besitzt, einer Verformung zu widerstehen. Obwohl nicht alle Flüssigkeiten Flüssigkeiten sind, gelten die physikalischen Gleichungen für Flüssigkeiten universell sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase. Daher kann jedes mathematische Problem, das Sie mit Flüssigkeiten lösen sollen, mithilfe der Gleichungen für Fluiddynamik und -kinetik gelöst werden.

Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase bestehen aus mikroskopisch kleinen Partikeln, deren Verhalten den resultierenden Aggregatzustand bestimmt. In einem Feststoff sind Partikel dicht gepackt, normalerweise in einem regelmäßigen Muster; diese Partikel vibrieren oder "wackeln", bewegen sich aber im Allgemeinen nicht von Ort zu Ort. In einem Gas sind Partikel gut getrennt und haben keine regelmäßige Anordnung; sie vibrieren und bewegen sich mit beträchtlichen Geschwindigkeiten frei. Partikel in einer Flüssigkeit liegen dicht beieinander, wenn auch nicht so dicht gepackt wie in Feststoffen. Diese Partikel haben keine regelmäßige Anordnung und ähneln in dieser Hinsicht eher Gasen als Festkörpern. Die Partikel vibrieren, bewegen sich und gleiten aneinander vorbei.

Sowohl Gase als auch Flüssigkeiten nehmen die Form der Behälter an, die sie besetzen, eine Eigenschaft, die Feststoffe nicht haben. Da Gase normalerweise so viel Platz zwischen den Partikeln haben, werden sie leicht durch mechanische Kräfte komprimiert. Flüssigkeiten lassen sich nicht leicht komprimieren und Feststoffe lassen sich noch weniger leicht komprimieren. Sowohl Gase als auch Flüssigkeiten, die, wie oben erwähnt, zusammen Flüssigkeiten genannt werden, fließen leicht; Feststoffe nicht.

Erstens haben Flüssigkeiten kinematische Eigenschaften, oder Eigenschaften, die sich auf die Flüssigkeitsbewegung beziehen, wie Geschwindigkeit und Beschleunigung. Natürlich haben auch Festkörper solche Eigenschaften, aber die Gleichungen, mit denen sie beschrieben werden, sind unterschiedlich. Zweitens haben Flüssigkeiten thermodynamische Eigenschaften, die den thermodynamischen Zustand einer Flüssigkeit beschreiben. Diese schließen ein:

• Temperatur
  
• Druck
  
• Dichte
  
• innere Energie
  
• spezifische Entropie
  
• spezifische Enthalpie
  
• Andere

Nur einige davon werden hier detailliert beschrieben. Schließlich haben Flüssigkeiten eine Reihe verschiedener Eigenschaften, die in keine der beiden anderen Kategorien fallen (z. B. Viskosität, ein Maß für die Reibung einer Flüssigkeit; Oberflächenspannung; und Dampfdruck).

Die beiden Fluide, die in der realen Welt von größtem Interesse sind, sind Wasser und Luft. Zu den üblichen Arten von Flüssigkeiten neben Wasser gehören Öl, Benzin, Kerosin, Lösungsmittel und Getränke. Viele der am häufigsten vorkommenden Flüssigkeiten, einschließlich Kraftstoffe und Lösungsmittel, sind giftig, entzündlich oder anderweitig gefährlich, was sie zu einer Gefahr für zu Hause haben, denn wenn Kinder sie in die Hände bekommen, können sie sie mit trinkbaren Flüssigkeiten verwechseln und konsumieren, was zu schlimmen gesundheitlichen Notfällen führen kann.

Der menschliche Körper und eigentlich fast alles Leben besteht überwiegend aus Wasser. Blut gilt nicht als Flüssigkeit, da die Feststoffe im Blut nicht gleichmäßig verteilt oder vollständig darin gelöst sind. Stattdessen gilt es als Sperre. Der Plasmabestandteil von Blut kann für die meisten Zwecke als Flüssigkeit betrachtet werden. Unabhängig davon ist die Flüssigkeitszufuhr für den Alltag von entscheidender Bedeutung. In den meisten Situationen denken die Menschen nicht darüber nach, wie wichtig Trinkwasser für das Überleben ist, denn in der modernen Welt ist es selten, keinen direkten Zugang zu sauberem Wasser zu haben. Bei sportlichen Wettkämpfen wie Marathons, Fußballspielen usw. kommt es jedoch regelmäßig zu körperlichen Beschwerden durch übermäßigen Flüssigkeitsverlust Triathlons, obwohl einige dieser Veranstaltungen buchstäblich Dutzende von Verpflegungsstationen umfassen, die Wasser, Sportgetränke und Energiegels anbieten (was in Betracht gezogen werden könnte) Flüssigkeiten). Es ist eine Kuriosität der Evolution, dass so viele Menschen dehydrieren, obwohl sie es normalerweise wissen wie viel sie trinken müssen, um Höchstleistungen zu erbringen oder zumindest nicht in der Medizin zu landen Zelt.

Einiges über die Physik von Flüssigkeiten wurde beschrieben, wahrscheinlich genug, um sich in einem grundlegenden wissenschaftlichen Gespräch über Flüssigkeitseigenschaften zu behaupten. Besonders interessant wird es jedoch im Bereich der Fluidströmung.

Die Strömungsmechanik ist ein Teilgebiet der Physik, das die dynamischen Eigenschaften von Flüssigkeiten untersucht. In diesem Abschnitt wird wegen der Bedeutung von Luft und anderen Gasen in der Luftfahrt und anderen technischen Bereichen „Fluid“ kann sich entweder auf eine Flüssigkeit oder ein Gas beziehen – jede Substanz, die als Reaktion auf äußere Einflüsse ihre Form gleichmäßig ändert Kräfte. Die Bewegung von Flüssigkeiten kann durch Differentialgleichungen charakterisiert werden, die aus der Infinitesimalrechnung stammen. Die Bewegung von Flüssigkeiten überträgt wie die Bewegung von Festkörpern Masse, Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) und Energie (Kraft multipliziert mit Distanz) in der Strömung. Darüber hinaus kann die Bewegung von Flüssigkeiten durch Erhaltungsgleichungen, wie die Navier-Stokes-Gleichungen, beschrieben werden.

Eine Art und Weise, in der sich Flüssigkeiten im Gegensatz zu Festkörpern bewegen, besteht darin, dass sie Scherkräfte aufweisen. Dies ist eine Folge der Bereitschaft, mit der Flüssigkeiten verformt werden können. Unter Scherung versteht man unterschiedliche Bewegungen innerhalb eines Flüssigkeitskörpers infolge der Einwirkung asymmetrischer Kräfte. Ein Beispiel ist ein Wasserkanal, der Wirbel und andere lokalisierte Bewegungen zeigt, selbst wenn sich das Wasser als Ganzes mit einer festen Geschwindigkeit in Bezug auf das Volumen pro Zeiteinheit durch den Kanal bewegt. Die Schubspannung τ (griechischer Buchstabe tau) einer Flüssigkeit ist gleich dem Geschwindigkeitsgradienten (du/dy) multipliziert mit der dynamischen Viskosität μ; das heißt, τ = μ(du/dy).

Andere Konzepte im Zusammenhang mit Flüssigkeitsbewegungen umfassen Widerstand und Auftrieb, die beide in der Luftfahrttechnik von entscheidender Bedeutung sind. Widerstand ist eine Widerstandskraft, die in zwei Formen auftritt: Oberflächenwiderstand, der nur auf die Oberfläche eines sich bewegenden Körpers wirkt Wasser (z. B. die Haut eines Schwimmers) und Formwiderstand, der mit der Gesamtform des Körpers zu tun hat, der sich durch die Flüssigkeit. Diese Kraft wird geschrieben:

F_D = C_DA(v²/2)

Wobei C eine Konstante ist, die von der Natur des Objekts abhängt, das dem Widerstand ausgesetzt ist, ρ die Dichte ist, A die Querschnittsfläche ist und v die Geschwindigkeit ist. Auf ähnliche Weise wird der Auftrieb, eine Nettokraft, die senkrecht zur Bewegungsrichtung einer Flüssigkeit wirkt, durch den Ausdruck beschrieben:

F_L = C_LA(v²/2)

Etwa 60 Prozent des Gesamtgewichts Ihres Körpers besteht aus Wasser. Ungefähr zwei Drittel davon oder 40 Prozent Ihres Gesamtgewichts befinden sich in Zellen, während sich das andere Drittel oder 20 Prozent Ihres Gewichts im sogenannten extrazellulären Raum befindet. Die Wasserkomponente des Blutes befindet sich in diesem extrazellulären Raum und macht etwa ein Viertel des gesamten extrazellulären Wassers aus, d. Da etwa 60 Prozent Ihres Blutes tatsächlich aus Plasma bestehen, während die anderen 40 Prozent aus Feststoffen bestehen (z. B. rote Blutkörperchen), können Sie anhand Ihrer Gewicht.

Eine 70 kg schwere Person hat ungefähr (0,60) (70) = 42 kg Wasser in ihrem Körper. Ein Drittel wäre extrazelluläre Flüssigkeit, etwa 14 kg. Ein Viertel davon wäre Blutplasma – 3,5 kg. Dies bedeutet, dass die Gesamtblutmenge im Körper dieser Person etwa (3,5 kg/0,6) = 5,8 kg wiegt.