Apa Sifat-Sifat Cairan?

Jika seseorang meminta Anda untuk mendefinisikan "cairan", Anda mungkin mulai dengan pengalaman sehari-hari Anda dengan hal-hal yang Anda ketahui yang memenuhi syarat sebagai cairan dan mencoba untuk menggeneralisasi dari sana. Air, tentu saja, adalah cairan paling penting dan ada di mana-mana di Bumi; satu hal yang membedakannya adalah ia tidak memiliki bentuk yang pasti, melainkan menyesuaikan dengan bentuk apa pun yang ada di dalamnya, apakah ini bidal atau depresi besar di planet ini. Anda mungkin mengasosiasikan "cairan" dengan "mengalir," seperti arus sungai, atau es yang meleleh mengalir di sisi batu.

Ide "Anda tahu cairan ketika Anda melihat satu" ini, bagaimanapun, memiliki batasnya. Air jelas merupakan cairan, seperti halnya soda. Tapi bagaimana dengan milkshake, yang menyebar ke permukaan apa pun yang dituangkan, tetapi lebih lambat daripada air atau soda. Dan jika milkshake berbentuk cair, lalu bagaimana dengan es krim yang akan segera mencair? Atau es krim itu sendiri? Seperti yang terjadi, fisikawan telah membantu menghasilkan definisi formal cairan, bersama dengan dua keadaan materi lainnya.

Materi dapat eksis di salah satu dari tiga keadaan: Sebagai padat, cair atau gas. Anda mungkin melihat orang menggunakan "cairan" dan "cairan" secara bergantian dalam bahasa sehari-hari, seperti, "Minum banyak cairan saat berolahraga di cuaca panas" dan "Sangat penting untuk mengonsumsi banyak cairan saat berlari maraton." Tetapi secara formal, wujud materi cair dan wujud gas materi bersama-sama membentuk cairan. Fluida adalah segala sesuatu yang tidak memiliki kemampuan untuk menahan deformasi. Meskipun tidak semua cairan adalah cairan, persamaan fisika yang mengatur cairan berlaku secara universal untuk cairan dan juga gas. Oleh karena itu, masalah matematika apa pun yang Anda minta untuk dipecahkan yang melibatkan cairan dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan yang mengatur dinamika dan kinetika fluida.

Padatan, cairan dan gas terbuat dari partikel mikroskopis, dengan perilaku masing-masing menentukan keadaan materi yang dihasilkan. Dalam padatan, partikel tersusun rapat, biasanya dalam pola yang teratur; partikel-partikel ini bergetar, atau "bergoyang", tetapi pada umumnya tidak berpindah dari satu tempat ke tempat lain. Dalam gas, partikel terpisah dengan baik dan tidak memiliki susunan yang teratur; mereka bergetar dan bergerak bebas dengan kecepatan yang cukup besar. Partikel dalam cairan saling berdekatan, meskipun tidak rapat seperti pada padatan. Partikel-partikel ini tidak memiliki susunan yang teratur dan lebih menyerupai gas daripada padatan dalam hal ini. Partikel bergetar, bergerak dan meluncur melewati satu sama lain.

Baik gas dan cairan mengambil bentuk wadah apa pun yang mereka tempati, properti yang tidak dimiliki padatan. Gas, karena biasanya memiliki banyak ruang di antara partikel, mudah dikompresi oleh gaya mekanik. Cairan tidak mudah dikompresi, dan padatan masih kurang mudah dikompresi. Baik gas maupun cairan, yang seperti disebutkan di atas bersama-sama disebut cairan, mengalir dengan mudah; padat tidak.

Pertama, cairan memiliki sifat kinematik, atau sifat-sifat yang berhubungan dengan gerakan fluida, seperti kecepatan dan percepatan. Padatan tentu saja memiliki sifat seperti itu juga, tetapi persamaan yang digunakan untuk menggambarkannya berbeda. Kedua, cairan memiliki sifat termodinamika, yang menggambarkan keadaan termodinamika fluida. Ini termasuk:

• suhu
  
• tekanan
  
• massa jenis
  
• energi dalam
  
• entropi spesifik
  
• entalpi spesifik
  
• orang lain

Hanya beberapa di antaranya yang akan dirinci di sini. Akhirnya, cairan memiliki sejumlah sifat lain-lain yang tidak termasuk dalam salah satu dari dua kategori lainnya (misalnya, viskositas, ukuran gesekan fluida; tegangan permukaan; dan tekanan uap).

Dua cairan yang paling menarik di dunia nyata adalah air dan udara. Jenis cairan yang umum selain air termasuk minyak, bensin, minyak tanah, pelarut dan minuman. Banyak cairan yang lebih umum ditemui, termasuk bahan bakar dan pelarut, beracun, mudah terbakar atau berbahaya, membuatnya berbahaya bagi miliki di rumah karena jika anak-anak memegangnya, mereka dapat mengacaukannya dengan cairan yang dapat diminum dan mengkonsumsinya, yang menyebabkan keadaan darurat kesehatan yang mengerikan.

Tubuh manusia, dan bahkan hampir semua kehidupan, sebagian besar terdiri dari air. Darah tidak dianggap sebagai cairan, karena padatan dalam darah tidak tersebar merata di seluruh atau sepenuhnya larut di dalamnya. Sebaliknya, itu dianggap sebagai penangguhan. Komponen plasma darah dapat dianggap sebagai cairan untuk sebagian besar tujuan. Bagaimanapun, perawatan cairan sangat penting untuk kehidupan sehari-hari. Dalam kebanyakan situasi, orang tidak memikirkan betapa pentingnya cairan yang dapat diminum untuk kelangsungan hidup, karena di dunia modern jarang sekali orang tidak memiliki akses langsung ke air bersih. Tetapi orang-orang secara rutin mengalami masalah fisik akibat kehilangan cairan yang berlebihan selama kompetisi olahraga seperti maraton, pertandingan sepak bola, dan triathlon, meskipun beberapa dari acara ini mencakup lusinan stasiun bantuan yang menawarkan air, minuman olahraga, dan gel energi (yang mungkin dianggap cairan). Ini adalah keingintahuan evolusi bahwa begitu banyak orang berhasil mengalami dehidrasi bahkan ketika biasanya mengetahui berapa banyak yang harus mereka minum untuk mencapai kinerja terbaik atau setidaknya menghindari berakhir di medis tenda.

Beberapa fisika cairan telah dijelaskan, mungkin cukup untuk memungkinkan Anda mempertahankan percakapan ilmiah dasar tentang sifat cair. Namun, di bidang aliran fluida di mana hal-hal menjadi sangat menarik.

Mekanika fluida adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari sifat-sifat dinamis fluida. Pada bagian ini, karena pentingnya udara dan gas lainnya dalam bidang aeronautika dan teknik lainnya, "cairan" dapat merujuk pada cairan atau gas - zat apa pun yang berubah bentuk secara seragam sebagai respons terhadap eksternal pasukan. Pergerakan fluida dapat dicirikan oleh persamaan diferensial, yang berasal dari kalkulus. Pergerakan fluida, seperti pergerakan padatan, mentransfer massa, momentum (massa kali kecepatan) dan energi (gaya dikalikan dengan jarak) dalam aliran. Selain itu, gerakan fluida dapat dijelaskan dengan persamaan kekekalan, seperti persamaan Navier-Stokes.

Salah satu cara di mana cairan bergerak yang padatan tidak adalah bahwa mereka menunjukkan geser. Ini adalah konsekuensi dari kesiapan dengan mana cairan dapat berubah bentuk. Geser mengacu pada gerakan diferensial dalam tubuh cairan sebagai akibat dari penerapan gaya asimetris. Contohnya adalah saluran air, yang menunjukkan pusaran dan gerakan lokal lainnya bahkan ketika air secara keseluruhan bergerak melalui saluran dengan kecepatan tetap dalam hal volume per satuan waktu. Tegangan geser (huruf Yunani tau) dari fluida sama dengan gradien kecepatan (du/dy) dikalikan dengan viskositas dinamis; yaitu, = (du/dy).

Konsep lain yang terkait dengan gerakan fluida termasuk drag dan lift, yang keduanya sangat penting dalam teknik penerbangan. Seret adalah gaya resistif yang datang dalam dua bentuk: Tarikan permukaan, yang bekerja hanya pada permukaan benda yang bergerak air (misalnya, kulit seorang perenang), dan gaya hambat, yang berkaitan dengan keseluruhan bentuk tubuh yang bergerak melalui cairan. Kekuatan ini ditulis:

F_D = C_DA(v²/2)

Dimana C adalah konstanta yang bergantung pada sifat benda yang mengalami gaya hambat, adalah kerapatan, A adalah luas penampang dan v adalah kecepatan. Demikian pula, gaya angkat, yang merupakan gaya total yang bekerja tegak lurus terhadap arah gerakan fluida, dijelaskan oleh ekspresi:

F_L = C_LA(v²/2)

Sekitar 60 persen dari total berat tubuh Anda terdiri dari air. Kira-kira dua pertiga dari ini, atau 40 persen dari total berat Anda, ada di dalam sel, sedangkan sepertiga lainnya, atau 20 persen dari berat Anda, ada di ruang ekstraseluler. Komponen air darah ada di ruang ekstraseluler ini, dan menyumbang sekitar seperempat dari semua air ekstraseluler, yaitu 5 persen dari total tubuh. Karena sekitar 60 persen darah Anda sebenarnya terdiri dari plasma sedangkan 40 persen lainnya adalah padatan (misalnya, sel darah merah), Anda dapat menghitung berapa banyak darah yang Anda miliki di tubuh Anda berdasarkan bobot.

Seseorang dengan berat 70 kg (154 pon) memiliki sekitar (0,60) (70) = 42 kg air di tubuhnya. Sepertiganya adalah cairan ekstraseluler, sekitar 14 kg. Seperempatnya adalah plasma darah – 3,5 kg. Ini berarti bahwa jumlah total darah dalam tubuh orang ini beratnya sekitar (3,5 kg/0,6) = 5,8 kg.