מהם המאפיינים של נוזל?

אם מישהו ביקש ממך להגדיר "נוזל", אתה יכול להתחיל בחוויה היומיומית שלך עם דברים שאתה מכיר שמתאים לנוזלים ולנסות להכליל משם. מים, כמובן, הם הנוזל החשוב והנמצא בכל מקום על פני כדור הארץ; דבר אחד שמייחד אותו הוא שאין לו צורה מוגדרת, במקום להתאים לצורה של כל מה שמכיל אותו, זה יהיה אצבעון או שקע מסיבי בכדור הארץ. אתה כנראה משייך "נוזל" ל"זורם ", כמו זרם נהר, או קרח מומס העובר לצד סלע.

לרעיון הזה של "אתה יודע נוזל כשאתה רואה כזה" יש גבולות. מים הם בבירור נוזל, כמו גם סודה. אבל מה לגבי מילקשייק, שמתפשט על כל משטח שהוא נשפך עליו, אבל לאט יותר ממים או סודה. ואם מילקשייק הוא נוזל, אז מה עם גלידה שרק עומדת להמיס? או הגלידה עצמה? כשזה קורה, פיזיקאים ייצרו הגדרות פורמליות של נוזל בצורה מועילה, יחד עם שני מצבי החומר האחרים.

חומר יכול להתקיים באחד משלושה מצבים: כמוצק, נוזל או גז. ייתכן שתראה אנשים המשתמשים ב"נוזל "ו"נוזל" להחלפה בשפה היומיומית, כגון, "שתו הרבה נוזלים כשאתם מתאמנים במזג אוויר חם" ו "חשוב לצרוך הרבה נוזלים כשרצים מרתון." אך באופן פורמלי, המצב הנוזלי של החומר ומצב הגז של החומר יחד מורכבים נוזלים. נוזל הוא כל מה שחסר את היכולת להתנגד לעיוות. למרות שלא כל הנוזלים הם נוזלים, המשוואות הפיזיקליות השונות על הנוזלים חלות באופן נרחב על נוזלים כמו גם על גזים. לכן, כל בעיה מתמטית שתתבקש לפתור הכוללת נוזלים ניתנת לפיתוח באמצעות המשוואות השולטות בדינמיקה ובקינטיקה של נוזלים.

מוצקים, נוזלים וגזים עשויים מחלקיקים מיקרוסקופיים, כאשר ההתנהגות של כל אחד קובעת את מצב החומר שנוצר. במוצק חלקיקים ארוזים היטב, בדרך כלל בתבנית רגילה; החלקיקים האלה רוטטים, או "מצחקקים", אך באופן כללי אינם נעים ממקום למקום. בגז חלקיקים מופרדים היטב ואין להם סידור קבוע; הם רוטטים ונעים בחופשיות במהירות ניכרת. חלקיקים בנוזל צמודים זה לזה, אם כי לא ארוזים היטב כמו במוצקים. לחלקיקים אלה אין סידור קבוע והם דומים לגזים ולא למוצקים מבחינה זו. החלקיקים רוטטים, נעים סביב ומחליקים זה ליד זה.

גם גזים וגם נוזלים לובשים את צורתם של מכלים שהם תופסים, אין למוצקים של רכוש. גזים, מכיוון שבדרך כלל יש להם כל כך הרבה מקום בין חלקיקים, נדחסים בקלות על ידי כוחות מכניים. נוזלים אינם דחוסים בקלות, ומוצקים עדיין דחוסים פחות בקלות. גם גזים וגם נוזלים, שכאמור לעיל מכונים יחד נוזלים, זורמים בקלות; מוצקים לא.

ראשית, יש לנוזלים תכונות קינמטיות, או תכונות הקשורות לתנועת נוזלים, כמו מהירות ותאוצה. למוצקים יש כמובן גם תכונות כאלה, אך המשוואות המשמשות לתיאורן שונות. שנית, יש לנוזלים תכונות תרמודינמיות, המתארים את המצב התרמודינמי של נוזל. אלו כוללים:

• טֶמפֶּרָטוּרָה
  
• לַחַץ
  
• צְפִיפוּת
  
• אנרגיה פנימית
  
• אנטרופיה ספציפית
  
• אנטלפיה ספציפית
  
• אחרים

רק כמה מהם יפורטו כאן. לבסוף, לנוזלים יש מספר תכונות שונות שאינן נופלות בשתי הקטגוריות האחרות (למשל, צמיגות, מדד לחיכוך הנוזל; מתח פנים; ולחץ אדים).

שני הנוזלים בעלי העניין הגדול בעולם האמיתי הם מים ואוויר. סוגים נפוצים של נוזלים בנוסף למים כוללים נפט, בנזין, נפט, ממסים ומשקאות. רבים מהנוזלים הנפוצים יותר, כולל דלקים וממיסים, הם רעילים, דליקים או מסוכנים בדרך אחרת, מה שהופך אותם למסוכנים ל יש בבית כי אם ילדים יתפסו אותם, הם עלולים לבלבל אותם עם נוזלים ניתנים לשתייה ולצרוך אותם, מה שמוביל למקרי חירום בריאותיים קשים.

גוף האדם, ולמעשה כמעט כל החיים, הוא בעיקר מים. דם אינו נחשב לנוזל, מכיוון שהמוצקים בדם אינם מפוזרים בו באופן שווה או מומסים בו באופן מלא. במקום זאת הוא נחשב להשעיה. ניתן לראות את מרכיב הפלזמה בדם כנוזל לרוב המטרות. בלי קשר, תחזוקת נוזלים חיונית לחיי היומיום. ברוב המצבים אנשים לא חושבים עד כמה נוזלים לשתיה הם קריטיים להישרדות מכיוון שבעולם המודרני נדיר שאין גישה מוכנה למים נקיים. אך אנשים נוהגים להיכנס לצרות גופניות כתוצאה מאיבוד נוזלים מוגזם במהלך תחרויות ספורט כגון מרתונים, משחקי כדורגל ו טריאתלון, למרות שחלק מהאירועים הללו כוללים ממש עשרות תחנות סיוע המציעות מים, משקאות ספורט וג'לי אנרגיה (שעשויים להיחשב נוזלים). זו סקרנות של אבולוציה שכל כך הרבה אנשים מצליחים להתייבש גם כשיודעים בדרך כלל כמה הם חייבים לשתות על מנת להשיג ביצועים מהשורה הראשונה או לפחות להימנע מלהסתיים ברפואה אוֹהֶל.

חלק מהפיזיקה של נוזלים תוארה, כנראה מספיק כדי לאפשר לך להחזיק בעצמך בשיחה מדעית בסיסית על תכונות נוזליות. עם זאת, באזור זרימת הנוזלים בו הדברים הופכים למעניינים במיוחד.

מכניקת נוזלים היא ענף הפיזיקה החוקר את התכונות הדינמיות של נוזלים. בחלק זה, בגלל חשיבותם של אוויר וגזים אחרים בתחום האווירונאוטיקה ותחומי הנדסה אחרים, "נוזל" עשוי להתייחס לנוזל או לגז - כל חומר שמשנה את צורתו באופן אחיד בתגובה לחיצוני כוחות. ניתן לאפיין את תנועת הנוזלים במשוואות דיפרנציאליות, הנובעות מחשבון. תנועת הנוזלים, כמו תנועת המוצקים, מעבירה את המסה, המומנטום (מסה כפול מהירות) ואנרגיה (כוח מוכפל למרחק) בזרימה. בנוסף, ניתן לתאר את תנועת הנוזלים על ידי משוואות שימור, כמו משוואות Navier-Stokes.

אחת הדרכים בהן נוזלים נעים שמוצקים אינם, היא שהם מציגים גזירה. זו תוצאה של המוכנות בה ניתן לעוות נוזלים. גזירה מתייחסת לתנועות דיפרנציאליות בתוך גוף נוזלים כתוצאה מהפעלת כוחות א-סימטריים. דוגמה לכך היא תעלת מים, המציגה מערבולות ותנועות מקומיות אחרות גם כאשר המים בכללותם עוברים בערוץ בקצב קבוע מבחינת נפח ליחידת זמן. מתח הגזירה τ (האות היוונית tau) של נוזל שווה לשיפוע המהירות (du / dy) כפול הצמיגות הדינמית μ; כלומר, τ = μ (du / dy).

מושגים אחרים הקשורים לתנועות נוזלים כוללים גרירה והרמה, שניהם חיוניים בהנדסת אווירונאוטיקה. גרירה היא כוח התנגדות המגיע בשתי צורות: גרור פני השטח, הפועל רק על פני השטח של גוף הנע דרכו מים (למשל, עור של שחיין) וצורת גרירה, שקשורה לצורה הכללית של הגוף שעוברת דרך נוֹזֵל. כוח זה כתוב:

F_ד = ג_דρA (v²/2)

כאשר C הוא קבוע שתלוי באופי האובייקט החווה גרירה, ρ הוא צפיפות, A הוא שטח חתך ו- v הוא מהירות. באופן דומה, הרמה, שהיא כוח נטו הפועל בניצב לכיוון תנועת הנוזל, מתוארת על ידי הביטוי:

F_ל = ג_לρA (v²/2)

כ -60 אחוז מהמשקל הכולל של גופך מורכב ממים. בערך שני שלישים מזה, או 40 אחוז ממשקלך הכולל, נמצאים בתוך התאים, ואילו השליש השני, או 20 אחוז ממשקלך, נמצא במה שמכונה המרחב החוץ תאי. מרכיב המים של הדם נמצא במרחב החוץ-תאי הזה, ומהווה כרבע מכל המים החוץ-תאיים, כלומר 5 אחוזים מכלל הגוף. מכיוון שכ- 60 אחוז מהדם שלך מורכב למעשה מפלזמה ואילו 40 האחוזים האחרים הם מוצקים (למשל, כדוריות דם אדומות), אתה יכול לחשב כמה דם יש לך בגוף שלך על בסיס מִשׁקָל.

לאדם בן 70 ק"ג (154 ק"ג) יש כ (0.60) (70) = 42 ק"ג מים בגופה. שליש יהיה נוזל חוץ-תאי, כ -14 ק"ג. רבע מזה יהיה פלזמה בדם - 3.5 ק"ג. המשמעות היא שכמות הדם הכוללת בגופו של אדם זה שוקלת כ (3.5 ק"ג / 0.6) = 5.8 ק"ג.