Koja su svojstva tekućine?

Ako bi vas netko zamolio da definirate "tekućina", mogli biste započeti sa svojim svakodnevnim iskustvom sa stvarima za koje znate da se kvalificiraju kao tekućine i odatle pokušati generalizirati. Voda je, naravno, najvažnija i sveprisutna tekućina na Zemlji; jedna stvar po kojoj se razlikuje je to što nema definitivan oblik, već se prilagođava obliku bilo čega što ga sadrži, bio to naprstak ili masivna depresija na planetu. Vjerojatno "tekućinu" povezujete s "tekućom", kao što je riječna struja ili otopljeni led koji teče niz stijenu.

Ova ideja "Znate li tekućinu kad je vidite" ima svoja ograničenja. Voda je očito tekućina, kao i soda. Ali što je s mliječnim šejkom koji se širi na bilo kojoj površini na koju se izlije, ali sporije od vode ili sode. A ako je milkshake tekućina, što kažete na sladoled koji će se upravo otopiti? Ili sam sladoled? Kako se to događa, fizičari su korisno izradili formalne definicije tekućine, zajedno s druga dva stanja materije.

Materija može postojati u jednom od tri stanja: kao krutina, tekućina ili plin. Možda ćete vidjeti ljude koji koriste "tekućinu" i "tekućinu" naizmjenično u svakodnevnom jeziku, poput "Pijte puno tekućine kada vježbate po vrućem vremenu" i "Važno je unositi puno tekućine kada trčite maraton." Ali formalno, tekuće stanje materije i plinsko stanje tvari zajedno čine tekućine. Tekućina je sve ono čemu nedostaje sposobnost odoljenja deformacijama. Iako nisu sve tekućine tekućine, fizikalne jednadžbe koje reguliraju tekućine univerzalno se primjenjuju na tekućine kao i na plinove. Stoga se svaki matematički problem koji se od vas traži da riješi koji uključuje tekućine može riješiti upotrebom jednadžbi koje reguliraju dinamiku i kinetiku fluida.

Čvrste tvari, tekućine i plinovi izrađeni su od mikroskopskih čestica, a ponašanje svakog određuje rezultirajuće stanje tvari. U krutini su čestice čvrsto zbijene, obično u pravilnom uzorku; ove čestice vibriraju, ili "trepere", ali općenito se ne pomiču s mjesta na mjesto. U plinu su čestice dobro odvojene i nemaju pravilan raspored; vibriraju i slobodno se kreću znatnom brzinom. Čestice u tekućini su blizu jedna drugoj, premda nisu tako čvrsto zbijene kao u čvrstim tvarima. Te čestice nemaju pravilan raspored i u tom smislu podsjećaju na plinove nego na čvrste tvari. Čestice vibriraju, kreću se i klize jedna pored druge.

I plinovi i tekućine poprimaju oblik bilo kojih spremnika koje zauzimaju, a svojstvo krute tvari nemaju. Plinovi, jer obično imaju toliko prostora između čestica, lako se sabijaju mehaničkim silama. Tekućine se ne stlače lako, a krutine se i dalje lakše sabijaju. I plinovi i tekućine, koji se, kao što je gore spomenuto, zajedno nazivaju tekućinama, lako teku; čvrste tvari ne.

Prvo, tekućine imaju kinematička svojstva, ili svojstva povezana s kretanjem fluida, poput brzine i ubrzanja. Čvrsta tijela naravno imaju i takva svojstva, ali jednadžbe koje se koriste za njihov opis su različite. Drugo, tekućine imaju termodinamička svojstva, koji opisuju termodinamičko stanje tekućine. To uključuje:

• temperatura
  
• pritisak
  
• gustoća
  
• unutarnja energija
  
• specifična entropija
  
• specifična entalpija
  
• drugi

Ovdje će biti detaljno opisano samo nekoliko njih. Napokon, tekućine imaju niz različitih svojstava koja ne spadaju ni u jednu od druge dvije kategorije (npr. Viskoznost, mjera trenja tekućine; površinska napetost; i tlak pare).

Dvije tekućine koje su najvažnije u stvarnom svijetu su voda i zrak. Uobičajene vrste tekućina uz vodu uključuju ulje, benzin, kerozin, otapala i pića. Mnoge tekućine koje se najčešće susreću, uključujući goriva i otapala, otrovne su, zapaljive ili na drugi način opasne, što ih čini opasnim za imaju ih u kući, jer ako ih se djeca dokopaju, mogu ih zbuniti pitkom tekućinom i konzumirati, što dovodi do strašnih zdravstvenih hitnih slučajeva.

Ljudsko tijelo, a zapravo gotovo sav život, pretežno je voda. Krv se ne smatra tekućinom, jer krutine u krvi nisu ravnomjerno raspršene ili su u njoj potpuno otopljene. Umjesto toga, smatra se suspenzijom. Komponenta plazme u krvi se u većini svrha može smatrati tekućinom. Bez obzira na to, održavanje tekućine vitalno je za svakodnevni život. U većini situacija ljudi ne razmišljaju o tome koliko su tekućine za piće presudne za preživljavanje, jer u suvremenom svijetu rijetko tko nema spreman pristup čistoj vodi. No, ljudi rutinski upadaju u fizičke probleme kao rezultat prekomjernih gubitaka tekućine tijekom sportskih natjecanja poput maratona, nogometnih utakmica i triatloni, iako neki od tih događaja uključuju doslovno desetke pomoćnih stanica koje nude vodu, sportska pića i energetske gelove (što bi se moglo uzeti u obzir tekućine). Zanimljivost je evolucije da se toliko ljudi uspije dehidrirati čak i dok obično zna koliko moraju popiti kako bi postigli vrhunske performanse ili barem izbjegli završavanje u medicini šator.

Opisane su neke fizike tekućina, vjerojatno dovoljno da vam omoguće da se držite u osnovnom znanstvenom razgovoru o svojstvima tekućine. Međutim, u području protoka tekućine stvari postaju posebno zanimljive.

Mehanika fluida je grana fizike koja proučava dinamička svojstva fluida. U ovom odjeljku, zbog važnosti zraka i drugih plinova u zrakoplovstvu i drugim inženjerskim područjima, "Tečnost" se može odnositi na tekućinu ili plin - bilo koju tvar koja jednoliko mijenja oblik kao odgovor na vanjske sile. Kretanje tekućina može se okarakterizirati diferencijalnim jednadžbama koje proizlaze iz računa. Kretanje tekućina, poput kretanja krutina, prenosi u protok masu, impuls (masa pomnožena s brzinom) i energiju (sila pomnožena s udaljenošću). Uz to, kretanje tekućina može se opisati jednadžbama očuvanja, poput Navier-Stokesovih jednadžbi.

Jedan od načina na koji se tekućine kreću, a krutine ne kreću se ispoljavanjem smicanja. To je posljedica spremnosti s kojom se tekućine mogu deformirati. Smicanje se odnosi na diferencijalne pokrete unutar tijela tekućine kao rezultat primjene asimetričnih sila. Primjer je kanal vode koji pokazuje vrtloge i druga lokalizirana kretanja, čak i dok se voda kao cjelina kreće kroz kanal fiksnom brzinom u smislu volumena po jedinici vremena. Smični napon τ (grčko slovo tau) fluida jednak je gradijentu brzine (du / dy) pomnoženom s dinamičkom viskoznošću μ; odnosno τ = μ (du / dy).

Ostali pojmovi koji se odnose na kretanje fluida uključuju vuču i podizanje, a oba su ključna u zrakoplovnom inženjerstvu. Potezanje je otporna sila koja dolazi u dva oblika: Površinski otpor koji djeluje na samo površinu tijela koja se kreće vode (npr. koža plivača) i stvaraju otpor, što je povezano s ukupnim oblikom tijela koji se kreće kroz tekućina. Ova sila je zapisana:

F_D = C_DρA (v²/2)

Gdje je C konstanta koja ovisi o prirodi predmeta koji doživljava vuču, ρ je gustoća, A je površina presjeka i v je brzina. Slično tome, podizanje, odnosno neto sila koja djeluje okomito na smjer kretanja tekućine, opisuje se izrazom:

F_L = C_LρA (v²/2)

Otprilike 60 posto ukupne težine vašeg tijela sastoji se od vode. Otprilike dvije trećine ovoga, ili 40 posto vaše ukupne težine, nalazi se unutar stanica, dok se druga trećina, odnosno 20 posto vaše težine, nalazi u onome što se naziva izvanstaničnim prostorom. Vodena komponenta krvi nalazi se u ovom izvanstaničnom prostoru i čini oko jedne četvrtine sve izvanstanične vode, tj. 5 posto ukupne količine tijela. Budući da se oko 60 posto vaše krvi zapravo sastoji od plazme, dok je ostalih 40 posto krutina (npr. crvene krvne stanice), možete izračunati koliko krvi imate u tijelu na temelju svojeg težina.

Osoba od 70 kg (154 kilograma) u svom tijelu ima oko (0,60) (70) = 42 kg vode. Jedna trećina bila bi izvanstanična tekućina, oko 14 kg. Četvrtina od toga bila bi krvna plazma - 3,5 kg. To znači da ukupna količina krvi u tijelu ove osobe teži oko (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.