Tekućina je jedno od četiri stanja materije, a ostala su krutina, plin i plazma. Proučavanje fizike povezane s tekućinama iznenađujuće je veliko područje. Ali kad uzmete u obzir koliko vašeg života ovisi o vodi koja teče cijevima, ili brodovima koji mogu plutati u oceanu, ili čak vaš sirup za palačinke može pravilno teći iz svoje posude, lako je shvatiti zašto je proučavanje i razumijevanje tekućina važno.
Države materije
Četiri su glavna stanja materije: kruto stanje, tekuće stanje, stanje plina i plazma. Materija se može mijenjati iz jednog stanja u drugo, ovisno o uvjetima pritiska i temperature.
U solidan, molekule materijala su čvrsto povezane i materijal zadržava svoj oblik. U tekućina, molekule su manje čvrsto povezane i sposobne kliziti ili teći jedna pored druge. U plin, molekule se međusobno odvajaju. Plin će uvijek napuniti posudu u kojoj se nalazi i može se lako proširiti i stezati, dok tekućine i krutine ne mogu (ili barem ne u istoj mjeri.) A plazma je stanje materije koje nastaje kada se plin zagrije do te mjere da postane ioniziran.
Kad se plin kondenzira, a molekule postanu dovoljno blizu da djeluju jedna na drugu i prianjaju, pretvara se u tekući oblik. To obično zahtijeva hlađenje, što uklanja energiju iz sustava.
Kad se nešto u čvrstom obliku otopi, postaje tekućina. To obično zahtijeva grijanje koje sustavu dodaje energiju. Kako se temperatura materijala povećava, molekularno gibanje raste i prevladava intermolekularne sile koje pokušavaju kruto držati molekule zajedno.
Definicija tekućine
Kao što je prethodno spomenuto, tekućina je stanje tvari. Nekompresibilnost tekućina znači da imaju fiksni volumen (određeni volumen) i nemojte se širiti ili skupljati na bilo koji značajniji način poput plina.
U tekućini se molekule kohezijskim silama slabo spajaju i mogu slobodno teći jedna pored druge. Tekućine imaju oblik donjeg dijela bilo kojeg spremnika u kojem se nalaze i ne održavaju određeni oblik poput krutina.
Tekućine su često kategorizirane kao a tekućina, što je šira oznaka koja se primjenjuje i na tekućine i na plinove. Tekućina je tvar koja može teći, a mnogi zakoni fizike koji vrijede za protok tekućine vrijede i za protok plinova.
Primjeri tekućina
Primjeri tekućina mogu se naći svugdje oko vas. Ona koja vam je vjerojatno najpoznatija je voda jer je potrebna za život i pokriva oko 71 posto zemljine površine. Budući da je voda u tekućem obliku na standardnim temperaturama na Zemlji, vjeruje se da je to razlog zbog kojeg se ovdje mogao oblikovati i cvjetati život.
Postoje, naravno, i mnoge druge tvari koje su tekuće na sobnoj temperaturi, uključujući alkohol, benzin i čak živu.
Tvari koje postoje u tekućem obliku samo na puno hladnijim temperaturama uključuju acetilen, ugljični dioksid, metan i tekući dušik. Tvari koje postoje u tekućem obliku samo na mnogo višim temperaturama uključuju aluminij i mnoge druge metale, ugljik, porculan i pijesak.
Tekući kristal je stanje tvari između tekućeg i krutog. Neke tvari imaju u osnovi dvije različite tališta: jednu na kojoj postaju tekući kristal i drugu višu točku na kojoj postaju uobičajena tekućina. Tekući kristali mogu teći poput tekućine, ali također pokazuju simetrije tipično povezane s kristalnim krutim tvarima. Tekući kristali koriste se u zaslonima satova, kalkulatora i televizora.
Tlak u tekućini
Tlak je mjera sile po jedinici površine. U tekućoj tvari sve molekule tekućine pritišću jedna drugu i stvaraju unutarnji pritisak. Možete zamisliti kako zidovi posude osjećaju ovu silu i po jedinici površine, a ako biste probušili rupu, pritisak bi istisnuo tekućinu.
Pritisak u tekućini je i razlog zašto možete plutati u bazenu. Pridružena sila djeluje protiv gravitacije.
Vrijednost tlaka u tekućini ovisi o gustoći i dubini tekućine. Veza je sljedeća:
Gdje Str je pritisak, ρ je gustoća, d je dubina i g je ubrzanje zbog gravitacije.
Činjenica da se pritisak povećava s dubinom je razlog zašto ronioci moraju biti oprezni. Moraju dopustiti da se njihova tijela prilagode porastu i smanjenju pritiska kako bi se izbjegle ozljede.
Za tekućinu u cijevi, razlike u tlaku duž cijevi uzrokovat će protok tekućine. To je zato što je pritisak u osnovi sila, a neuravnotežena sila uzrokuje promjenu u kretanju.
Arhimedov princip
Kao što vam je vjerojatno poznato, neki predmeti plutaju, a neki predmeti tonu, a čak i oni koji tonu to čine polako. To nam govori da mora postojati sila koju tekućina primjenjuje koja djeluje protiv gravitacije. Ta sila naziva se uzgonska sila. Arhimedov princip opisuje uzletna sila u tekućini, odnosno sila koja uzrokuje plutanje predmeta.
Vrijednost uzgonske sile Arhimed vrlo jednostavno iznosi: jednaka je težini tekućine koju istiskuje potopljeni objekt. Ova se težina lako izračunava kao umnožak volumena predmeta (ili dijela predmeta) koji je potopljen, gustoće tekućine i g, ubrzanja uslijed gravitacije.
Budući da je sila gravitacije na predmet umnožak njegove mase i g, a masa mu je jednaka proizvoda njegovog volumena i gustoće, lako je uočiti da predmeti moraju biti manje gusti od da bi plutali voda.
Viskoznost i tekućine
Sljedeće svojstvo tekućina je viskoznost. Viskoznost je mjera koliko je tekućina tanka ili gusta ili njezin otpor protoku ili objektima koji kroz nju prolaze. Na primjer, ako usporedite sirup s vodom, primijetili biste da voda teče brže i brže od gustog sirupa. To je zato što sirup ima veću viskoznost. Kaže se da je viskoznije.
Viskoznost je uzrokovana trenjem između molekula u slojevima tekućine koja teče. Što je veće trenje, to je veća viskoznost. Čimbenici koji određuju viskoznost tekućine uključuju temperaturu i molekularni oblik.