Millised on vedeliku omadused?

Kui keegi paluks teil määratleda "vedelik", võite alustada oma igapäevastest kogemustest asjadest, mida tunnete vedelatena, ja proovige sealt üldistada. Muidugi on vesi kõige olulisem ja üldlevinum vedelik Maal; üks asi, mis seda eristab, on see, et sellel pole kindlat kuju, vaid see vastab selle kuju, mida see sisaldab, olgu see siis sõrmkübar või massiline lohk planeedil. Tõenäoliselt seostate "vedelikku" "voolavaga", näiteks jõevooluga või sulatatud jääga, mis jookseb mööda kivi külge.

Sellel "Sa tead vedelikku, kui näed ühte" ideel on aga piirid. Vesi on selgelt vedelik, nagu ka sooda. Aga kuidas on piimakokteiliga, mis levib kogu pinnale, millele see valatakse, kuid aeglasemalt kui vesi või sooda. Ja kui piimakokteil on vedelik, siis kuidas on jäätisega, mis on just sulamas? Või jäätis ise? Nagu juhtub, on füüsikud koostanud abivalmilt vedeliku ametlikud määratlused koos ülejäänud kahe aine olekuga.

Aine võib eksisteerida ühes kolmest olekust: tahke aine, vedeliku või gaasina. Võib-olla näete inimesi, kes kasutavad igapäevases keeles "vedelat" ja "vedelat" omavahel asendatult, näiteks: "Kuuma ilmaga treenides jooge palju vedelikke" ja "Maratoni läbimisel on oluline tarbida palju vedelikke." Kuid vormiliselt moodustavad aine vedel olek ja aine gaasiline olek kokku vedelikud. Vedelik on kõik, millel puudub võime deformatsioonidele vastu seista. Kuigi kõik vedelikud ei ole vedelikud, kehtivad vedelikke reguleerivad füüsikalised võrrandid universaalselt nii vedelike kui ka gaaside kohta. Seetõttu saab vedeliku dünaamikat ja kineetikat reguleerivate võrrandite abil välja töötada kõik matemaatilised probleemid, mis teil palutakse lahendada ja mis hõlmavad vedelikke.

Tahked ained, vedelikud ja gaasid on valmistatud mikroskoopilistest osakestest, millest igaühe käitumine määrab saadud aine oleku. Tahkes aines osakesed on tihedalt kokku pakitud, tavaliselt korrapärase mustriga; need osakesed vibreerivad ehk "jigeldavad", kuid üldiselt ei liigu nad paigast teise. Gaasis on osakesed hästi eraldatud ja neil pole korrapärast paigutust; nad vibreerivad ja liiguvad märkimisväärsel kiirusel vabalt ringi. Vedelikus olevad osakesed on lähestikku, ehkki mitte nii tihedalt kui tahketes ainetes. Need osakesed ei ole korrapäraselt paigutatud ja sarnanevad selles osas pigem gaaside kui tahkete ainetega. Osakesed vibreerivad, liiguvad ja libisevad üksteisest mööda.

Nii gaasid kui ka vedelikud omandavad kuju, olenemata sellest, milliseid mahuteid nad hõivavad. Gaasid, kuna neil on tavaliselt osakeste vahel nii palju ruumi, surutakse mehaaniliste jõudude abil kergesti kokku. Vedelikke ei tihendata lihtsalt ja tahkeid aineid on ikka veel vähem. Nii gaasid kui ka vedelikud, mida, nagu ülalpool märgitud, koos nimetatakse vedelikeks, voolavad kergesti; kuivained mitte.

Esiteks, vedelikud on kinemaatilised omadusedvõi vedeliku liikumisega seotud omadused, näiteks kiirus ja kiirendus. Tahkistel on muidugi ka sellised omadused, kuid nende kirjeldamiseks kasutatud võrrandid on erinevad. Teiseks, vedelikud on termodünaamilised omadused, mis kirjeldavad vedeliku termodünaamilist olekut. Need sisaldavad:

• temperatuur
  
• surve
  
• tihedus
  
• siseenergia
  
• spetsiifiline entroopia
  
• spetsiifiline entalpia
  
• teised

Vaid mõned neist on siin üksikasjalikud. Lõpuks on vedelikel mitmeid erinevaid omadusi, mis ei kuulu kumbagi ülejäänud kahte kategooriasse (nt viskoossus, vedeliku hõõrdumise näitaja; pind pinevus; ja aururõhk).

Kaks reaalses maailmas suurt huvi pakkuvat vedelikku on vesi ja õhk. Tavalised vedelike tüübid lisaks veele hõlmavad õli, bensiini, petrooleumi, lahusteid ja jooke. Paljud sagedamini esinevad vedelikud, sealhulgas kütused ja lahustid, on mürgised, tuleohtlikud või muul viisil ohtlikud, muutes need ohtlikuks on kodus, sest kui lapsed neist kätte saavad, võivad nad segi ajada joodavate vedelikega ja neid tarbida, mis põhjustab hädiseid tervisekahjustusi.

Inimese keha ja tegelikult peaaegu kogu elu on valdavalt vesi. Verd ei peeta vedelaks, sest veres olevad tahked ained pole hajutatud ühtlaselt ega lahustunud selles täielikult. Selle asemel peetakse seda peatamiseks. Vere plasmakomponenti võib enamikul eesmärkidel pidada vedelaks. Sõltumata sellest on vedeliku hooldus igapäevaelus eluliselt tähtis. Enamikus olukordades ei mõtle inimesed sellele, kui kriitilised on joogivedelikud ellujäämise seisukohalt, sest tänapäevases maailmas pole harva võimalust puhtale veele hõlpsasti juurde pääseda. Kuid inimesed satuvad regulaarselt füüsilistesse raskustesse spordivõistluste, näiteks maratonide, jalgpallimängude ja muude võistluste ajal toimunud liigsete vedelike kadude tõttu triatlonid, kuigi mõned neist üritustest hõlmavad sõna otseses mõttes kümneid abipunkte, kus pakutakse vett, spordijooke ja energiageele (mida võib pidada vedelikud). Evolutsiooni uudishimu on see, et nii paljudel inimestel õnnestub dehüdreeruda ka tavaliselt teades kui palju nad peavad jooma, et saavutada parim jõudlus või vähemalt vältida meditsiinitööstuses lõpetamist telk.

Osa vedelike füüsikast on kirjeldatud, tõenäoliselt piisavalt, et saaksite end vedelate omaduste alases teaduslikus vestluses hoida. Kuid just vedeliku voolamise piirkonnas muutuvad asjad eriti huvitavaks.

Vedeliku mehaanika on füüsika haru, mis uurib vedelike dünaamilisi omadusi. Selles osas, kuna õhk ja muud gaasid on olulised lennunduses ja muudes insenerivaldkondades, "vedelik" võib viidata kas vedelikule või gaasile - mis tahes ainele, mis muudab kuju ühtlaselt reageerides välisele jõud. Vedelike liikumist saab iseloomustada diferentsiaalvõrranditega, mis tulenevad arvutusest. Vedelike liikumine, nagu tahkete ainete liikumine, kannab voolus edasi massi, impulssi (mass korrutab kiirust) ja energiat (jõud korrutatuna kaugusega). Lisaks saab vedelike liikumist kirjeldada säilitusvõrranditega, näiteks Navier-Stokesi võrranditega.

Üks viis vedelike liikumiseks, mida tahked ained ei tee, on see, et neil on nihkumine. See on vedelike deformeerumise valmisoleku tagajärg. Nihutamine viitab diferentsiaalsetele liikumistele vedeliku kehas asümmeetriliste jõudude rakendamise tagajärjel. Näitena võib tuua veekanali, mis näitab pööriseid ja muid lokaliseeritud liikumisi isegi siis, kui vesi tervikuna liigub läbi kanali kindla kiirusega ajaühiku kohta. Vedeliku nihkepinge τ (kreeka täht tau) on võrdne kiiruse gradiendiga (du / dy) korrutatuna dünaamilise viskoossusega μ; see tähendab, et τ = μ (du / dy).

Muud vedeliku liikumisega seotud mõisted hõlmavad lohistamist ja tõstmist, mis mõlemad on lennundustehnikas üliolulised. Lohistamine on takistusjõud, mis on kahes vormis: Pinna tõmme, mis toimib just läbi liikuva keha pinnal vesi (nt ujuja nahk) ja moodustavad tõmbe, mis on seotud keha üldise kujuga, mis liigub läbi vedelik. See jõud on kirjutatud:

F_D = C_DρA (v²/2)

Kui C on konstant, mis sõltub lohistamist kogeva objekti olemusest, ρ on tihedus, A on ristlõikepindala ja v on kiirus. Samamoodi kirjeldatakse tõstejõudu, mis on vedeliku liikumise suunaga risti mõjuv netojõud, väljendiga:

F_L = C_LρA (v²/2)

Umbes 60 protsenti kogu keha kaalust koosneb veest. Ligikaudu kaks kolmandikku sellest ehk 40 protsenti teie kogukaalust on rakkudes, teine ​​kolmandik ehk 20 protsenti teie kehakaalust on aga rakuvälises ruumis. Vere veekomponent on selles rakuvälises ruumis ja see moodustab umbes neljandiku kogu rakuvälisest veest, st 5 protsenti keha koguarvust. Kuna umbes 60 protsenti teie verest koosneb tegelikult plasmast, ülejäänud 40 protsenti on aga tahke aine (nt punased verelibled), saate arvutada, kui palju verd teie kehas on kaal.

70 kg kaaluva inimese kehas on umbes (0,60) (70) = 42 kg vett. Üks kolmandik oleks rakuväline vedelik, umbes 14 kg. Neljandik sellest oleks vereplasma - 3,5 kg. See tähendab, et selle inimese keha kogu vere kogus kaalub umbes (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.