Folyadékok (fizika): meghatározás, tulajdonságok és példák

A folyadék az anyag négy állapotának egyike, a többi szilárd, gáz és plazma. A folyadékokkal kapcsolatos fizika vizsgálata meglepően nagy terület. De ha belegondolunk, hogy életének mekkora része függ attól, hogy a csöveken keresztül folyik-e a víz, vagy a hajók képesek-e lebegni az óceánban, vagy akár palacsintaszirupja megfelelően áramolhat a tartályából, könnyen belátható, hogy miért folyadékok tanulmányozása és megértése fontos.

Az anyagnak négy fő állapota van: szilárd, folyékony, gáz és plazma. Az anyag a nyomás és a hőmérséklet körülményeitől függően egyik állapotból a másikba változhat.

A szilárd, az anyag molekulái szorosan meg vannak kötve, és az anyag megtartja alakját. A folyékony, a molekulák kevésbé szorosan kötődnek és képesek egymás mellett csúszni vagy áramolni. A gáz, a molekulák elválnak egymástól. A gáz mindig kitölti a tartályt, amelyben van, és könnyen kitágulhat és összehúzódhat, míg a folyadékok és szilárd anyagok nem (vagy legalábbis nem azonos mértékben).

Amikor egy gáz kondenzálódik, és a molekulák elég közel kerülnek egymás befolyásolásához és tapadásához, folyékony formává válik. Ehhez általában hűtésre van szükség, ami elvezeti az energiát a rendszerből.

Amikor valami szilárd formában megolvad, folyadékká válik. Ehhez általában fűtésre van szükség, amely energiát ad a rendszerhez. Az anyag hőmérsékletének növekedésével a molekuláris mozgás növekszik és legyőzi az intermolekuláris erőket, amelyek megpróbálják mereven összetartani a molekulákat.

Mint korábban említettük, a folyadék az anyag állapota. A folyadékok összenyomhatatlansága azt jelenti, hogy a rögzített hangerő (meghatározott térfogat), és ne táguljanak vagy zsugorodjanak olyan jelentős módon, mint egy gáz.

Egy folyadékban a molekulák összetartó erők által gyengén kapcsolódnak egymáshoz, és szabadon áramolhatnak egymás mellett. A folyadékok bármilyen edény alsó részének alakját veszik fel, és nem tartanak olyan határozott alakot, mint a szilárd anyagok.

A folyadékokat gyakran a kategóriába sorolják folyadék, amely a folyadékokra és a gázokra egyaránt kiterjedtebb címke. A folyadék olyan anyag, amely képes áramolni, és a fizika számos törvénye, amely a folyadék áramlására vonatkozik, a gázok áramlására is érvényes.

Folyadékokra példák találhatók körülötted. A legismertebb víz valószínűleg azért, mert az élethez szükséges, és a föld felszínének mintegy 71 százalékát lefedi. Mivel a víz normál hőmérsékleten folyékony formában van a Földön, úgy gondolják, hogy ez az oka annak, hogy az élet itt kialakulhatott és virágozhatott.

Természetesen számos más, szobahőmérsékleten folyékony anyag létezik, beleértve az alkoholt, a benzint és még a higanyot is.

Folyékony formában csak jóval hűvösebb hőmérsékleten léteznek olyan anyagok, mint az acetilén, a szén-dioxid, a metán és a folyékony nitrogén. Folyékony formában csak jóval magasabb hőmérsékleten léteznek olyan anyagok, mint az alumínium és sok más fém, a szén, a porcelán és a homok.

Folyékony kristály folyékony és szilárd anyag közötti állapot. Egyes anyagoknak lényegében két különböző olvadáspontjuk van: az egyiknél folyadékkristályossá válnak, a másiknál ​​pedig a szabályosabb folyadékká válnak. A folyadékkristályok folyóként áramolhatnak, de szimmetriákat is mutatnak, amelyek általában kristályos szilárd anyagokkal társulnak. Folyékony kristályokat használnak az órák, számológépek és tévék kijelzőjén.

A nyomás az egységnyi területre eső erő mértéke. Folyékony anyagban az összes folyékony molekula egymás ellen nyomódik és létrehoz egy belső nyomás. El lehet képzelni, hogy a tartály falai is érzik ezt az erőt területegységenként, és ha lyukat ütne, a nyomás kiszorítaná a folyadékot.

A folyadékban lévő nyomás emiatt is képes úszni az uszodában. A kapcsolódó erő ellensúlyozza a gravitációt.

A folyadékban lévő nyomás értéke a folyadék sűrűségétől és mélységétől függ. A kapcsolat a következő:

Hol P a nyomás, ρ sűrűség, d a mélység, és g a gravitáció miatti gyorsulás.

Az a tény, hogy a nyomás a mélységgel növekszik, ezért a búvároknak óvatosnak kell lenniük. A sérülések elkerülése érdekében lehetővé kell tenni, hogy testük alkalmazkodjon a nyomás növekedéséhez és csökkenéséhez.

A csőben lévő folyadék esetében a cső mentén fennálló nyomáskülönbségek miatt a folyadék áramlik. Ennek oka, hogy a nyomás lényegében erő, és a kiegyensúlyozatlan erő megváltoztatja a mozgást.

Mint valószínűleg tisztában van vele, egyes tárgyak lebegnek, és egyes tárgyak elsüllyednek, és még azok is, amelyek elsüllyednek, hajlamosak erre lassan. Ez azt mondja nekünk, hogy a folyadéknak olyan erőnek kell lennie, amely ellensúlyozza a gravitációt. Ezt az erőt úszó erőnek nevezzük. Archimédész elve leírja a lendületes erő folyadékban, vagyis abban az erőben, amely a tárgyakat lebegteti.

Archimédész a felhajtó erő értékét nagyon egyszerűen mondja ki: Ez megegyezik az elmerült tárgy által kiszorított folyadék tömegével. Ez a súly könnyen kiszámítható az alámerült tárgy térfogatának (vagy a tárgynak), a folyadék sűrűségének és a g-nek, a gravitáció miatti gyorsulásnak a szorzataként.

Mivel a gravitációs erő egy tárgyon tömegének és g szorzatának adódik, és tömege megegyezik a térfogatának és sűrűségének szorzata, könnyen belátható, hogy az úszáshoz az objektumoknak kevésbé kell sűrűnek lenniük, mint víz.

A folyadékok másik tulajdonsága a viszkozitás. A viszkozitás annak mértéke, hogy a folyadék mennyire vékony vagy vastag, vagy ellenáll az áramlásnak vagy a rajta áthaladó tárgyaknak. Ha például összehasonlítaná a szirupot a vízzel, észrevenné, hogy a víz gyorsabban és gyorsabban ömlik, mint a sűrű szirup. Ennek oka, hogy a szirup viszkozitása nagyobb. Állítólag viszkózusabb.

A viszkozitást az áramló folyadék rétegeiben lévő molekulák közötti súrlódás okozza. Minél nagyobb a súrlódás, annál nagyobb a viszkozitás. A folyadék viszkozitását meghatározó tényezők közé tartozik a hőmérséklet és a molekula alakja.