Mitkä ovat nesteen ominaisuudet?

Jos joku pyytää sinua määrittelemään "neste", voit aloittaa jokapäiväisestä kokemuksestasi asioista, jotka tunnet nesteiksi, ja yrittää yleistää sieltä. Vesi on tietysti tärkein ja yleisin neste maapallolla; Yksi asia, joka erottaa sen, on se, että sillä ei ole varmaa muotoa, vaan se vastaa kaiken sen muodon muotoa, olipa tämä sitten sormustin tai massiivinen masennus planeetalla. Luultavasti yhdistät "nesteen" "virtaavaan", kuten jokivirtaan tai sulan jääyn, joka juoksee kallion reunaa pitkin.

Tällä "Tiedät nesteen, kun näet yhden" -idealla on kuitenkin rajat. Vesi on selvästi neste, samoin kuin sooda. Mutta entä pirtelö, joka leviää mille tahansa pinnalle, jolle se kaadetaan, mutta hitaammin kuin vesi tai sooda. Ja jos pirtelö on neste, niin entä jäätelö, joka on juuri sulamassa? Tai itse jäätelöä? Kuten tapahtuu, fyysikot ovat tuottaneet hyödyllisesti nesteen muodolliset määritelmät kahden muun aineen tilan ohella.

Aine voi esiintyä yhdessä kolmesta tilasta: kiinteänä aineena, nesteenä tai kaasuna. Saatat nähdä ihmisiä, jotka käyttävät "nestettä" ja "nestettä" vaihtokelpoisesti jokapäiväisessä kielessä, kuten "Juo paljon nesteitä kun harjoittelet kuumalla säällä" ja "On tärkeää kuluttaa paljon nesteitä, kun juokset maratonia." Mutta muodollisesti aineen nestemäinen tila ja aineen kaasutila muodostavat yhdessä nesteitä. Neste on mitä tahansa, josta puuttuu kyky vastustaa muodonmuutoksia. Vaikka kaikki nesteet eivät ole nesteitä, nesteitä hallitsevat fysikaaliset yhtälöt koskevat yleisesti sekä nesteitä että kaasuja. Siksi kaikki matemaattiset ongelmat, joita sinua pyydetään ratkaisemaan ja joihin liittyy nesteitä, voidaan selvittää käyttämällä nestedynamiikkaa ja kinetiikkaa sääteleviä yhtälöitä.

Kiinteät aineet, nesteet ja kaasut on valmistettu mikroskooppisista hiukkasista, ja kunkin käyttäytyminen määrää tuloksena olevan aineen tilan. Kiinteässä aineessa hiukkaset ovat tiiviisti pakattuja, tavallisesti säännöllisesti; nämä hiukkaset tärisevät tai "heiluttavat", mutta eivät yleensä liiku paikasta toiseen. Kaasussa hiukkaset ovat hyvin erotettavissa eikä niissä ole säännöllistä järjestelyä; ne tärisevät ja liikkuvat vapaasti huomattavilla nopeuksilla. Nesteen hiukkaset ovat lähellä toisiaan, vaikka ne eivät ole niin tiiviisti pakattuja kuin kiinteät aineet. Näillä hiukkasilla ei ole säännöllistä järjestelyä ja ne muistuttavat tässä suhteessa kaasuja eikä kiinteitä aineita. Hiukkaset tärisevät, liikkuvat ja liukuvat toistensa ohi.

Sekä kaasut että nesteet ovat muodoltaan mitä tahansa säiliöitä, joita ne käyttävät, kiinteillä aineilla ei ole omaisuutta. Koska kaasut ovat yleensä niin paljon tilaa hiukkasten välillä, ne puristuvat helposti mekaanisilla voimilla. Nesteet eivät ole helposti puristettavissa, ja kiinteät aineet ovat vielä vähemmän helposti puristettavissa. Sekä kaasut että nesteet, joita, kuten edellä todettiin, kutsutaan yhdessä nesteiksi, virtaavat helposti; kiinteät aineet eivät.

Ensinnäkin nesteillä on kinemaattiset ominaisuudettai nesteen liikkeeseen liittyvät ominaisuudet, kuten nopeus ja kiihtyvyys. Kiinteillä aineilla on tietysti myös sellaisia ​​ominaisuuksia, mutta niiden kuvaamiseen käytetyt yhtälöt ovat erilaiset. Toiseksi, nesteillä on termodynaamiset ominaisuudet, jotka kuvaavat nesteen termodynaamisen tilan. Nämä sisältävät:

• lämpötila
  
• paine
  
• tiheys
  
• sisäinen energia
  
• erityinen entropia
  
• spesifinen entalpia
  
• toiset

Vain muutama näistä on yksityiskohtainen tässä. Lopuksi, nesteillä on useita erilaisia ​​ominaisuuksia, jotka eivät kuulu kumpaankaan kahteen muuhun luokkaan (esim. Viskositeetti, nesteen kitkan mitta; pintajännitys; ja höyrynpaine).

Kaksi reaalimaailmassa kiinnostavaa nestettä ovat vesi ja ilma. Veden lisäksi yleisimpiä nesteitä ovat öljy, bensiini, kerosiini, liuottimet ja juomat. Monet yleisemmin esiintyvät nesteet, mukaan lukien polttoaineet ja liuottimet, ovat myrkyllisiä, syttyviä tai muuten vaarallisia, mikä tekee niistä vaarallisia on kotona, koska jos lapset tarttuvat heihin, he voivat sekoittaa ne juotaviin nesteisiin ja kuluttaa niitä, mikä johtaa vakaviin terveydellisiin hätätilanteisiin.

Ihmiskeho ja itse asiassa melkein koko elämä on pääosin vettä. Veriä ei pidetä nesteenä, koska veressä olevat kiinteät aineet eivät ole levinneet tasaisesti kaikkialle eivätkä liukene siihen kokonaan. Sen sijaan sitä pidetään keskeyttämisenä. Veriplasman komponenttia voidaan pitää nesteenä useimpiin tarkoituksiin. Nesteen huolto on elintärkeää jokapäiväisessä elämässä. Useimmissa tilanteissa ihmiset eivät ajattele kuinka kriittisiä juotavat nesteet ovat selviytymiselle, koska nykymaailmassa on harvinaista, että puhtaalla vedellä ei ole valmiita käyttömahdollisuuksia. Mutta ihmiset joutuvat rutiininomaisesti fyysisiin ongelmiin urheilukilpailujen, kuten maratonien, jalkapallopelien ja muiden, aikana tapahtuneiden liiallisten nestehäviöiden seurauksena triathlonit, vaikka joihinkin näistä tapahtumista kuuluu kirjaimellisesti kymmeniä apuasemia, jotka tarjoavat vettä, urheilujuomia ja energiageelejä (joita voidaan pitää nesteet). On uteliaisuus evoluutiosta, että niin monet ihmiset onnistuvat kuivumaan, vaikka yleensä tietävätkin kuinka paljon heidän on juotava saavuttaakseen huippusuorituksen tai ainakin välttääkseen lopettamisen lääketieteellisessä teltta.

Jotkut nesteiden fysiikasta on kuvattu, luultavasti tarpeeksi, jotta voit pitää itsesi perusta tieteellisessä keskustelussa nesteiden ominaisuuksista. Asiat muuttuvat kuitenkin erityisen mielenkiintoisiksi nestevirtauksen alueella.

Nestemekaniikka on fysiikan osa, joka tutkii nesteiden dynaamisia ominaisuuksia. Tässä osassa, koska ilma ja muut kaasut ovat tärkeitä ilmailualalla ja muilla tekniikan aloilla, "neste" voi tarkoittaa joko nestettä tai kaasua - mitä tahansa ainetta, joka muuttaa muotoaan tasaisesti vasteena ulkoiselle voimat. Nesteiden liikettä voidaan luonnehtia differentiaaliyhtälöillä, jotka johtuvat laskusta. Nesteiden liike, kuten kiintoaineiden liike, siirtää virtauksessa massaa, momenttia (massa kertaa nopeus) ja energiaa (voima kerrottuna etäisyydellä). Lisäksi nesteiden liikettä voidaan kuvata säilytysyhtälöillä, kuten Navier-Stokes-yhtälöillä.

Yksi tapa, jolla nesteet liikkuvat, kiintoaineet eivät, on se, että niillä on leikkaus. Tämä on seurausta valmiudesta, jolla nesteitä voidaan muuttaa. Leikkaus viittaa differentiaaliliikkeisiin nestekappaleessa epäsymmetristen voimien vaikutuksesta. Esimerkkinä on vesikanava, jolla on pyörteitä ja muita paikallisia liikkeitä, vaikka vesi kokonaisuutena liikkuu kanavan läpi kiinteällä nopeudella tilavuusyksikköä kohti. Nesteen leikkausjännitys τ (kreikkalainen kirjain tau) on yhtä suuri kuin nopeusgradientti (du / dy) kerrottuna dynaamisella viskositeetilla μ; eli τ = μ (du / dy).

Muita nesteen liikkeisiin liittyviä käsitteitä ovat vetäminen ja nostaminen, jotka molemmat ovat ratkaisevia ilmailutekniikassa. Vedä on resistiivinen voima, joka on kahdessa muodossa: Pintavetovoima, joka vaikuttaa vain läpi liikkuvan kehon pintaan vettä (esim. uimarin iho) ja muodosta vastus, joka liittyy kehon yleiseen muotoon, joka liikkuu nestettä. Tämä voima on kirjoitettu:

F_D. = C_D.ρA (v²/2)

Missä C on vakio, joka riippuu vetämisen kokevan kohteen luonteesta, ρ on tiheys, A on poikkileikkauspinta-ala ja v on nopeus. Samoin hissiä, joka on nettovoima, joka toimii kohtisuorassa nesteen liikkeen suuntaan, kuvataan ilmaisulla:

F_L = C_LρA (v²/2)

Noin 60 prosenttia kehosi kokonaispainosta koostuu vedestä. Noin kaksi kolmasosaa tästä eli 40 prosenttia kokonaispainostasi on solujen sisällä, kun taas toinen kolmasosa eli 20 prosenttia painostasi on solunulkoisessa tilassa. Veren vesikomponentti on tässä solunulkoisessa tilassa, ja sen osuus on noin neljäsosa kaikesta solunulkoisesta vedestä, ts. 5 prosenttia kehon kokonaismäärästä. Koska verestäsi noin 60 prosenttia koostuu plasmasta, kun taas muut 40 prosenttia on kiinteitä aineita (esim. punasolut), voit laskea kuinka paljon verta elimistössäsi on paino.

70 kg painavalla henkilöllä on noin (0,60) (70) = 42 kg vettä kehossaan. Kolmasosa olisi solunulkoista nestettä, noin 14 kg. Neljäsosa tästä olisi veriplasma - 3,5 kg. Tämä tarkoittaa, että veren kokonaismäärä tämän henkilön kehossa painaa noin (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.