נוזלים (פיזיקה): הגדרה, מאפיינים ודוגמאות

נוזל הוא אחד מארבעת מצבי החומר, האחרים הם מוצקים, גז ופלזמה. חקר הפיזיקה הקשורה לנוזלים הוא שטח גדול באופן מפתיע. אבל כשאתה שוקל כמה מהחיים שלך תלוי במים שזורמים דרך צינורות, או בסירות שיוכלו לצוף באוקיאנוס, או אפילו סירופ הפנקייק שלך יכול לזרום כמו שצריך מהמיכל שלו, קל להבין מדוע המחקר וההבנה של נוזלים הם חָשׁוּב.

ישנם ארבעה מצבים עיקריים של חומר: מצב מוצק, מצב נוזלי, מצב גז ופלסמה. חומר יכול להשתנות ממצב אחד למשנהו בהתאם לתנאי הלחץ והטמפרטורה.

ב מוצק, מולקולות החומר קשורות היטב, והחומר שומר על צורתו. ב נוזל, המולקולות קשורות פחות חזק ומסוגלות להחליק או לזרום זו על פני זו. ב גַזהמולקולות נפרדות זו מזו. גז תמיד ימלא את המיכל בו הוא יכול ויכול להתרחב ולהתכווץ בקלות, בעוד שנוזלים ומוצקים אינם יכולים (או לפחות לא באותה מידה). פְּלַסמָה הוא מצב של חומר המתרחש כאשר מחממים גז עד לנקודה שהוא הופך למיונן.

כשגז מתעבה והמולקולות מתקרבות מספיק כדי להשפיע זו על זו ולהידבק, היא הופכת לצורה נוזלית. זה בדרך כלל דורש קירור, שמסיר אנרגיה מהמערכת.

כשמשהו בצורה מוצקה נמס, הוא הופך לנוזל. זה בדרך כלל דורש חימום שמוסיף אנרגיה למערכת. ככל שטמפרטורת החומר עולה, התנועה המולקולרית עולה ומתגברת על הכוחות הבין-מולקולריים המנסים להחזיק את המולקולות בצורה נוקשה.

כאמור, נוזל הוא מצב של עניין. חוסר דחיסות של נוזלים אומר שיש להם נפח קבוע (נפח מוגדר) ואל תתרחב או תתכווץ בצורה משמעותית כמו גז.

בנוזל המולקולות מחוברות יחדיו בצורה חלשה על ידי כוחות מגובשים ויכולות לזרום בחופשיות זו על פני זו. נוזלים לובשים את צורת החלק התחתון של כל מיכל שהם נמצאים בהם ואינם שומרים על צורה מוגדרת כמו שמוצקים.

נוזלים מסווגים לעיתים קרובות כ- נוֹזֵל, שהוא תווית רחבה יותר המופעלת על נוזלים וגם על גזים. נוזל הוא חומר שיכול לזרום, ורבים מחוקי הפיזיקה החלים על זרימת הנוזל חלים גם על זרימת הגזים.

ניתן למצוא דוגמאות לנוזלים מסביבך. מי שאתה מכיר ככל הנראה הוא מים מכיוון שהם נדרשים לכל החיים ומכסים כ -71 אחוז משטח כדור הארץ. מכיוון שמים נמצאים בצורה נוזלית בטמפרטורות סטנדרטיות על פני כדור הארץ, הוא האמין שזו הסיבה שהחיים הצליחו להיווצר ולפרוח כאן.

ישנם, כמובן, חומרים רבים אחרים הנוזלים בטמפרטורת החדר כולל אלכוהול, בנזין ואפילו כספית.

חומרים שקיימים בצורה נוזלית רק בטמפרטורות קרירות הרבה יותר כוללים אצטילן, פחמן דו חמצני, מתאן וחנקן נוזלי. חומרים שקיימים בצורה נוזלית רק בטמפרטורות גבוהות בהרבה כוללים אלומיניום ומתכות רבות אחרות, פחמן, חרסינה וחול.

קריסטל נוזלי הוא מצב של חומר בין נוזלי למוצק. לחומרים מסוימים יש למעשה שתי נקודות התכה שונות: אחת בהן הם הופכים לגביש נוזלי, ונקודה גבוהה יותר בה הם הופכים לנוזל רגיל. גבישים נוזליים יכולים לזרום כמו נוזל אך גם להציג סימטריות הקשורות בדרך כלל למוצקים גבישיים. גבישים נוזליים משמשים בתצוגות שעונים, מחשבונים וטלוויזיות.

לחץ הוא מדד לכוח ליחידת שטח. בחומר נוזלי כל המולקולות הנוזליות לוחצות זו על זו ויוצרות לחץ פנימי. אתה יכול לדמיין את קירות המכולה מרגישים את הכוח הזה גם ליחידת שטח, ואם היית תוקע חור, הלחץ היה מכריח את הנוזל החוצה.

לחץ בנוזל הוא גם הסיבה שאתה מסוגל לצוף בבריכת שחייה. הכוח הקשור נוגד את כוח הכבידה.

ערך הלחץ בנוזל תלוי בצפיפות הנוזל ובעומק. היחסים הם כדלקמן:

איפה פ זה לחץ, ρ הוא צפיפות, ד הוא עומק, ו ז היא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה.

העובדה שהלחץ עולה עם העומק היא הסיבה שצוללנים צריכים להיזהר. עליהם לאפשר לגופם להסתגל לעלייה וירידה בלחץ כדי למנוע פציעה.

לנוזל בצינור, הפרשי לחץ לאורך הצינור יגרמו לנוזל לזרום. זאת מכיוון שלחץ הוא בעצם כוח, וכוח לא מאוזן גורם לשינוי בתנועה.

כפי שכנראה ידוע לך, יש חפצים שצפים, וחפצים מסוימים שוקעים, ואפילו אלה ששוקעים נוטים לעשות זאת לאט. זה אומר לנו שחייב להיות כוח שהנוזל מפעיל שהוא נוגד את כוח הכבידה. כוח זה נקרא כוח צף. העיקרון של ארכימדס מתאר את כוח צף בנוזל, כלומר הכוח שגורם לאובייקטים לצוף.

ארכימדס קובע את ערך הכוח הצף בפשטות רבה: הוא שווה למשקל הנוזל שנעקר על ידי האובייקט השקוע. משקל זה מחושב בקלות כמוצר נפח האובייקט (או החלק של האובייקט) שקוע, צפיפות הנוזל ו- g, התאוצה בגלל כוח המשיכה.

מכיוון שכוח הכבידה על עצם הוא תוצר המסה וה- g שלו, והמסה שלו שווה ל- תוצר של נפחו וצפיפותו, קל לראות שכדי לצוף, חפצים חייבים להיות פחות צפופים מ מים.

מאפיין נוסף של נוזלים הוא צמיגות. צמיגות היא מדד של כמה נוזל דק או עבה או עמידותו לזרימה או לאובייקטים העוברים דרכו. אם הייתם משווים סירופ למים, למשל, הייתם מבחינים שמים נשפכים מהר ומהיר יותר מהסירופ הסמיך. הסיבה לכך היא שלסירופ צמיגות גבוהה יותר. אומרים שהוא צמיג יותר.

צמיגות נגרמת על ידי חיכוך בין מולקולות בשכבות של נוזל זורם. ככל שהחיכוך גדול יותר, כך הצמיגות גדולה יותר. גורמים הקובעים צמיגות נוזלים כוללים טמפרטורה וצורה מולקולרית.