Quali sono le proprietà del liquido?

Se qualcuno ti chiedesse di definire "liquido", potresti iniziare con la tua esperienza quotidiana con cose che conosci che si qualificano come liquidi e tentare di generalizzare da lì. L'acqua, ovviamente, è il liquido più importante e onnipresente sulla Terra; una cosa che lo contraddistingue è che non ha una forma definita, ma si conforma alla forma di qualunque cosa lo contenga, sia questo un ditale o una massiccia depressione nel pianeta. Probabilmente associ "liquido" a "fluente", come la corrente di un fiume o il ghiaccio sciolto che scorre lungo il lato di una roccia.

Questa idea "Riconosci un liquido quando ne vedi uno", tuttavia, ha i suoi limiti. L'acqua è chiaramente un liquido, così come la soda. Ma che dire di un milkshake, che si stende su qualsiasi superficie su cui viene versato, ma più lentamente dell'acqua o della soda. E se un milkshake è un liquido, che ne dici di un gelato che sta per sciogliersi? O il gelato stesso? Si dà il caso che i fisici abbiano utilmente prodotto definizioni formali di un liquido, insieme agli altri due stati della materia.

La materia può esistere in uno dei tre stati: come solido, liquido o gassoso. Potresti vedere persone che usano "liquido" e "fluido" in modo intercambiabile nel linguaggio di tutti i giorni, come "Bevi molti liquidi quando ti alleni quando fa caldo" e "È importante consumare molti liquidi quando si corre una maratona". Ma formalmente, lo stato liquido della materia e lo stato gassoso della materia costituiscono insieme fluidi. Un fluido è tutto ciò che non ha la capacità di resistere alla deformazione. Sebbene non tutti i fluidi siano liquidi, le equazioni fisiche che governano i fluidi si applicano universalmente sia ai liquidi che ai gas. Pertanto, qualsiasi problema matematico che ti viene chiesto di risolvere che coinvolga i liquidi può essere elaborato utilizzando le equazioni che governano la fluidodinamica e la cinetica.

Solidi, liquidi e gas sono fatti di particelle microscopiche, con il comportamento di ciascuno che determina lo stato risultante della materia. In un solido, le particelle sono strettamente impaccate, di solito in uno schema regolare; queste particelle vibrano, o "scuotono", ma in generale non si spostano da un luogo all'altro. In un gas, le particelle sono ben separate e non hanno una disposizione regolare; vibrano e si muovono liberamente a velocità considerevoli. Le particelle in un liquido sono vicine tra loro, anche se non così strettamente impacchettate come nei solidi. Queste particelle non hanno una disposizione regolare e assomigliano ai gas piuttosto che ai solidi sotto questo aspetto. Le particelle vibrano, si muovono e scivolano l'una sull'altra.

Sia i gas che i liquidi assumono la forma di qualunque contenitore occupino, una proprietà che i solidi non hanno. I gas, poiché normalmente hanno così tanto spazio tra le particelle, sono facilmente compressi da forze meccaniche. I liquidi non sono facilmente compressi e i solidi sono ancora meno facilmente compressi. Sia i gas che i liquidi, che come notato sopra sono chiamati insieme fluidi, scorrono facilmente; i solidi no.

Innanzitutto, i fluidi hanno proprietà cinematiche, o proprietà relative al movimento del fluido, come velocità e accelerazione. Naturalmente anche i solidi hanno tali proprietà, ma le equazioni usate per descriverli sono diverse. In secondo luogo, i fluidi hanno proprietà termodinamiche, che descrivono lo stato termodinamico di un fluido. Questi includono:

• temperatura
  
• pressione
  
• densità
  
• Energia interna
  
• entropia specifica
  
• entalpia specifica
  
• altri

Solo alcuni di questi saranno dettagliati qui. Infine, i fluidi hanno una serie di proprietà varie che non rientrano in nessuna delle altre due categorie (ad es. viscosità, una misura dell'attrito di un fluido; tensione superficiale; e pressione di vapore).

I due fluidi di maggiore interesse nel mondo reale sono l'acqua e l'aria. I tipi comuni di liquidi oltre all'acqua includono olio, benzina, cherosene, solventi e bevande. Molti dei liquidi più comuni, inclusi combustibili e solventi, sono velenosi, infiammabili o comunque pericolosi, il che li rende pericolosi per avere in casa perché se i bambini se ne impossessassero, potrebbero confonderli con liquidi potabili e consumarli, portando a gravi emergenze sanitarie.

Il corpo umano, e in effetti quasi tutta la vita, è prevalentemente acqua. Il sangue non è considerato un liquido, perché i solidi nel sangue non sono uniformemente dispersi o completamente dissolti in esso. Invece, è considerata una sospensione. La componente plasmatica del sangue può essere considerata come un liquido per la maggior parte degli scopi. Indipendentemente da ciò, la manutenzione dei fluidi è vitale per la vita quotidiana. Nella maggior parte delle situazioni, le persone non pensano a quanto siano critici i liquidi potabili per la sopravvivenza, perché nel mondo moderno è raro non avere un facile accesso all'acqua pulita. Ma le persone hanno abitualmente problemi fisici a causa di eccessive perdite di liquidi durante le competizioni sportive come maratone, partite di calcio e triathlon, anche se alcuni di questi eventi includono letteralmente dozzine di punti di ristoro che offrono acqua, bevande sportive e gel energetici (che potrebbero essere considerati liquidi). È una curiosità dell'evoluzione che tante persone riescano a disidratarsi pur sapendo di solito quanto devono bere per raggiungere le massime prestazioni o almeno evitare di finire in infermeria tenda.

È stata descritta parte della fisica dei fluidi, probabilmente abbastanza da permettervi di tenere testa a una conversazione scientifica di base sulle proprietà dei liquidi. Tuttavia, è nell'area del flusso dei fluidi che le cose diventano particolarmente interessanti.

La meccanica dei fluidi è la branca della fisica che studia le proprietà dinamiche dei fluidi. In questa sezione, a causa dell'importanza dell'aria e di altri gas nell'aeronautica e in altri campi dell'ingegneria, "fluido" può riferirsi a un liquido oa un gas - qualsiasi sostanza che cambia forma uniformemente in risposta all'esterno forze. Il moto dei fluidi può essere caratterizzato da equazioni differenziali, che derivano dal calcolo. Il movimento dei fluidi, come il movimento dei solidi, trasferisce massa, quantità di moto (massa per velocità) ed energia (forza moltiplicata per distanza) nel flusso. Inoltre, il moto dei fluidi può essere descritto da equazioni di conservazione, come le equazioni di Navier-Stokes.

Un modo in cui i fluidi si muovono rispetto ai solidi è che mostrano cesoiamento. Questa è una conseguenza della prontezza con cui i fluidi possono essere deformati. Il taglio si riferisce a movimenti differenziali all'interno di un corpo fluido a seguito dell'applicazione di forze asimmetriche. Un esempio è un canale d'acqua, che mostra vortici e altri movimenti localizzati anche se l'acqua nel suo insieme si muove attraverso il canale a una velocità fissa in termini di volume per unità di tempo. Lo sforzo di taglio (la lettera greca tau) di un fluido è pari al gradiente di velocità (du/dy) moltiplicato per la viscosità dinamica μ; cioè, = μ(du/dy).

Altri concetti relativi ai movimenti dei fluidi includono trascinamento e sollevamento, entrambi cruciali nell'ingegneria aeronautica. La resistenza è una forza resistiva che si presenta in due forme: la resistenza superficiale, che agisce solo sulla superficie di un corpo che si muove attraverso acqua (ad esempio, la pelle di un nuotatore) e la resistenza della forma, che ha a che fare con la forma complessiva del corpo che si muove attraverso il fluido. Questa forza è scritta:

F_D = C_DA(v²/2)

Dove C è una costante che dipende dalla natura dell'oggetto che subisce resistenza, è la densità, A è l'area della sezione trasversale e v è la velocità. Allo stesso modo, la portanza, che è una forza netta che agisce perpendicolarmente alla direzione del moto di un fluido, è descritta dall'espressione:

F_l = C_lA(v²/2)

Circa il 60 percento del peso totale del tuo corpo è costituito da acqua. Circa due terzi di questo, o il 40 percento del tuo peso totale, è all'interno delle cellule, mentre l'altro terzo, o il 20 percento del tuo peso, è in quello che viene chiamato spazio extracellulare. La componente acquosa del sangue si trova in questo spazio extracellulare e rappresenta circa un quarto di tutta l'acqua extracellulare, cioè il 5% del totale del corpo. Dal momento che circa il 60 percento del tuo sangue è in realtà costituito da plasma mentre l'altro 40 percento è solido (ad es. globuli rossi), puoi calcolare la quantità di sangue che hai nel tuo corpo in base al tuo peso.

Una persona di 70 kg (154 libbre) ha circa (0,60)(70) = 42 kg di acqua nel suo corpo. Un terzo sarebbe liquido extracellulare, circa 14 kg. Un quarto di questo sarebbe plasma sanguigno - 3,5 kg. Ciò significa che la quantità totale di sangue nel corpo di questa persona pesa circa (3,5 kg/0,6) = 5,8 kg.