Nesteet (fysiikka): Määritelmä, ominaisuudet ja esimerkit

Neste on yksi aineen neljästä tilasta, muut kiinteät aineet, kaasu ja plasma. Nesteisiin liittyvän fysiikan tutkimus on yllättävän suuri alue. Mutta kun otetaan huomioon, kuinka suuri osa elämästäsi riippuu putkien läpi virtaavasta vedestä tai veneiden mahdollisuudesta kellua meressä tai jopa pannukakkusiirappisi voi virrata kunnolla säiliöstä, on helppo nähdä, miksi nesteiden tutkiminen ja ymmärtäminen on tärkeä.

Aineen päätiloja on neljä: kiinteä tila, nestemäinen tila, kaasutila ja plasma. Aine voi muuttua tilasta toiseen paineen ja lämpötilan olosuhteista riippuen.

Jonkin sisällä kiinteä, materiaalin molekyylit ovat tiukasti sitoutuneita, ja materiaali pitää muodonsa. Jonkin sisällä nestemäinen, molekyylit ovat vähemmän tiukasti sitoutuneita ja kykenevät liukumaan tai virtaamaan toistensa ohi. Jonkin sisällä kaasu, molekyylit erottuvat toisistaan. Kaasu täyttää aina säiliön, jossa se on, ja se voi helposti laajentua ja supistua, kun taas nesteet ja kiinteät aineet eivät (tai ainakaan samassa määrin).

Kun kaasu tiivistyy ja molekyylit tulevat tarpeeksi lähelle vaikuttamaan toisiinsa ja tarttumaan, se muuttuu nestemäiseksi. Tämä vaatii yleensä jäähdytystä, joka poistaa energiaa järjestelmästä.

Kun jokin kiinteässä muodossa sulaa, siitä tulee nestettä. Tämä edellyttää tyypillisesti lämmitystä, joka lisää järjestelmään energiaa. Materiaalin lämpötilan noustessa molekyyliliike kasvaa ja voittaa molekyylien väliset voimat, jotka yrittävät pitää molekyylit jäykästi yhdessä.

Kuten aiemmin mainittiin, neste on aineen tila. Nesteiden kokoonpuristumattomuus tarkoittaa, että niillä on a kiinteä äänenvoimakkuus (määrätty määrä) eivätkä laajene tai supistu merkittävällä tavalla kuin kaasu saattaa.

Nesteessä molekyylit liitetään toisiinsa heikosti yhtenäisillä voimilla ja ne voivat virrata vapaasti toistensa ohitse. Nesteet ottavat minkä tahansa astian alaosan muodon, eivätkä ne säilytä tiettyä muotoa, kuten kiinteät aineet.

Nesteet luokitellaan usein a nestettä, joka on laajempi etiketti, jota käytetään sekä nesteisiin että kaasuihin. Neste on aine, joka voi virrata, ja monet nestevirtaan sovellettavat fysiikan lait koskevat myös kaasuvirtausta.

Esimerkkejä nesteistä löytyy ympäriltäsi. Tunnet todennäköisesti parhaiten vettä, koska sitä tarvitaan elämään ja se peittää noin 71 prosenttia maan pinnasta. Koska vesi on nestemäisessä muodossa maapallon vakiolämpötiloissa, sen uskotaan olevan syy siihen, että elämä pystyi muodostumaan ja kukoistamaan täällä.

On tietysti monia muita aineita, jotka ovat nestemäisiä huoneenlämmössä, mukaan lukien alkoholi, bensiini ja jopa elohopea.

Aineita, joita esiintyy nestemäisessä muodossa vain paljon viileämmissä lämpötiloissa, ovat asetyleeni, hiilidioksidi, metaani ja nestemäinen typpi. Aineita, joita esiintyy nestemäisessä muodossa vain paljon korkeammissa lämpötiloissa, ovat alumiini ja monet muut metallit, hiili, posliini ja hiekka.

Nestekide on aineen tila nesteen ja kiinteän aineen välillä. Joillakin aineilla on olennaisesti kaksi erilaista sulamispistettä: yksi, jossa niistä tulee nestekide, ja toinen korkeampi, jossa niistä tulee säännöllinen neste. Nestekiteet voivat virrata nesteen tavoin, mutta niillä voi myös olla symmetrioita, jotka tyypillisesti liittyvät kiteisiin kiinteisiin aineisiin. Nestekiteitä käytetään kellojen, laskinten ja televisioiden näytöissä.

Paine on voiman pinta-alayksikköä kohti. Nestemäisessä aineessa kaikki nestemolekyylit painavat toisiaan ja luovat sisäinen paine. Voit kuvitella, että astian seinät tuntevat tämän voiman myös pinta-alayksikköä kohden, ja jos pistäisit reiän, paine pakottaisi nesteen ulos.

Nesteen paine on myös syy, miksi voit kellua uima-altaassa. Tähän liittyvä voima vastustaa painovoimaa.

Nesteen paineen arvo riippuu nesteen tiheydestä ja syvyydestä. Suhde on seuraava:

Missä P on paine, ρ on tiheys, d on syvyys ja g on painovoimasta johtuva kiihtyvyys.

Sukeltajien on oltava varovaisia ​​siitä, että paine kasvaa syvyyden mukana. Heidän on annettava ruumiinsa sopeutua paineen nousuun ja laskuun loukkaantumisen välttämiseksi.

Putkessa olevalle nesteelle paine-erot pitkin putkea saavat nesteen virtaamaan. Tämä johtuu siitä, että paine on lähinnä voima, ja epätasapainoinen voima aiheuttaa muutoksen liikkeessä.

Kuten olet todennäköisesti tietoinen, jotkut esineet kelluvat ja jotkut esineet uppoavat, ja jopa ne, jotka uppoavat, pyrkivät tekemään niin hitaasti. Tämä kertoo meille, että nesteellä on oltava voima, joka vastustaa painovoimaa. Tätä voimaa kutsutaan kelluvaksi voimaksi. Archimedesin periaate kuvaa kelluva voima nesteessä, eli voimassa, joka saa esineet kellumaan.

Archimedes kertoo kelluvan voiman arvon hyvin yksinkertaisesti: Se on yhtä suuri kuin upotetun esineen syrjäyttämän nesteen paino. Tämä paino voidaan helposti laskea upotetun kohteen (tai kohteen osan) tilavuuden, nesteen tiheyden ja g: n painovoiman aiheuttaman kiihtyvyyden tulona.

Koska esineeseen kohdistuva painovoima on sen massan ja g tulo, ja sen massa on yhtä suuri kuin sen tilavuuden ja tiheyden tulona on helppo nähdä, että kelluvien esineiden on oltava vähemmän tiheitä kuin vettä.

Toinen nesteiden ominaisuus on viskositeetti. Viskositeetti mittaa nesteen ohutta tai paksuutta tai sen vastustuskykyä virtaukselle tai sen läpi kulkeville esineille. Jos vertaisit esimerkiksi siirappia veteen, huomaat, että vesi kaataa nopeammin ja nopeammin kuin paksu siirappi. Tämä johtuu siitä, että siirapilla on suurempi viskositeetti. Sen sanotaan olevan viskoosimpi.

Viskositeetti johtuu molekyylien välisestä kitkasta virtaavan nesteen kerroksissa. Mitä suurempi kitka, sitä suurempi viskositeetti. Nesteen viskositeetin määrittävät tekijät sisältävät lämpötilan ja molekyylin muodon.