Šķidrumi (fizika): definīcija, īpašības un piemēri

Šķidrums ir viens no četriem matērijas stāvokļiem, pārējie ir cietie, gāzes un plazmas. Ar šķidrumiem saistītās fizikas izpēte ir pārsteidzoši liela joma. Bet, ja ņemat vērā, cik liela daļa no jūsu dzīves ir atkarīga no ūdens, kas plūst caur caurulēm, vai laivas var peldēt okeānā vai pat jūsu pankūku sīrups var pareizi izplūst no tvertnes, ir viegli saprast, kāpēc notiek šķidrumu izpēte un izpratne svarīgs.

Ir četri galvenie matērijas stāvokļi: cietais stāvoklis, šķidrais stāvoklis, gāzes stāvoklis un plazma. Matērija var mainīties no viena stāvokļa uz citu atkarībā no spiediena un temperatūras apstākļiem.

Iekšā ciets, materiāla molekulas ir cieši saistītas, un materiāls saglabā savu formu. Iekšā šķidrums, molekulas ir mazāk cieši saistītas un spēj slīdēt vai plūst garām viena otrai. Iekšā gāze, molekulas atdalās viena no otras. Gāze vienmēr piepildīs tvertni, kurā atrodas, un to var viegli izplesties un sarauties, savukārt šķidrumi un cietās vielas nevar (vai vismaz ne tādā pašā mērā).

Kad gāze kondensējas un molekulas kļūst pietiekami tuvas, lai ietekmētu viena otru un pieliptu, tā pārvēršas šķidrā formā. Parasti tas prasa dzesēšanu, kas no sistēmas noņem enerģiju.

Kad kaut kas cietā formā izkūst, tas kļūst par šķidrumu. Tam parasti nepieciešama apkure, kas sistēmai pievieno enerģiju. Palielinoties materiāla temperatūrai, molekulārā kustība palielinās un pārvar starpmolekulāros spēkus, mēģinot stingri turēt molekulas kopā.

Kā minēts iepriekš, šķidrums ir matērijas stāvoklis. Šķidrumu nesaspiežamība nozīmē, ka tiem ir a fiksēts tilpums (noteikts tilpums) un neizplešas vai saraujas nekādā nozīmīgā veidā, kā tas varētu būt gāze.

Šķidrumā molekulas ir vāji savienotas kohēzijas spēkos un var brīvi plūst garām viena otrai. Šķidrumi iegūst jebkura konteinera apakšējās daļas formu un neuztur noteiktu formu, kā to dara cietās vielas.

Šķidrumus bieži klasificē kā šķidrums, kas ir plašāks marķējums gan šķidrumiem, gan gāzēm. Šķidrums ir viela, kas var plūst, un daudzi fizikas likumi, kas attiecas uz šķidruma plūsmu, attiecas arī uz gāzu plūsmu.

Šķidrumu piemēri ir atrodami visapkārt. Visticamāk, vispazīstamākais ir ūdens, jo tas ir vajadzīgs dzīvībai un aizņem aptuveni 71 procentus no zemes virsmas. Tā kā ūdens normālā temperatūrā uz Zemes ir šķidrā veidā, tiek uzskatīts, ka tas ir iemesls, kāpēc dzīve šeit varēja veidoties un uzplaukt.

Protams, ir daudzas citas vielas, kas istabas temperatūrā ir šķidras, ieskaitot spirtu, benzīnu un pat dzīvsudrabu.

Vielas, kas pastāv šķidrā veidā tikai daudz vēsākā temperatūrā, ir acetilēns, oglekļa dioksīds, metāns un šķidrais slāpeklis. Vielas, kas pastāv šķidrā veidā tikai daudz augstākā temperatūrā, ietver alumīniju un daudzus citus metālus, oglekli, porcelānu un smiltis.

Šķidrais kristāls ir vielas stāvoklis starp šķidru un cietu. Dažām vielām ir būtībā divas atšķirīgas kušanas temperatūras: viena, kurā tās kļūst par šķidro kristālu, un otra augstāka, kurā tās kļūst par parastu šķidrumu. Šķidrie kristāli var plūst kā šķidrums, bet tiem var būt arī simetrija, kas parasti saistīta ar kristāliskām cietām vielām. Šķidros kristālus izmanto pulksteņu, kalkulatoru un televizoru displejos.

Spiediens ir spēka mērījums uz laukuma vienību. Šķidrā vielā visas šķidrās molekulas spiež viena pret otru un rada iekšējais spiediens. Jūs varat iedomāties, ka tvertnes sienas izjūt šo spēku arī uz laukuma vienību, un, ja jums vajadzētu iedurt caurumu, spiediens izspiedīs šķidrumu.

Spiediens šķidrumā ir arī iemesls, kāpēc jūs varat peldēt peldbaseinā. Saistītais spēks neitralizē gravitāciju.

Spiediena vērtība šķidrumā ir atkarīga no šķidruma blīvuma un dziļuma. Attiecības ir šādas:

Kur P ir spiediens, ρ ir blīvums, d ir dziļums, un g ir paātrinājums gravitācijas dēļ.

Faktam, ka spiediens palielinās līdz ar dziļumu, nirējiem ir jābūt uzmanīgiem. Viņiem jāļauj viņu ķermenim pielāgoties spiediena pieaugumam un samazinājumam, lai izvairītos no ievainojumiem.

Šķidrumam caurulē spiediena atšķirības gar cauruli izraisīs šķidruma plūsmu. Tas ir tāpēc, ka spiediens būtībā ir spēks, un nelīdzsvarots spēks izraisa izmaiņas kustībā.

Kā jūs droši vien zināt, daži objekti peld, un daži objekti nogrimst, un pat tie, kas nogrimst, to mēdz darīt lēni. Tas mums saka, ka šķidrumam jāpieliek spēks, kas neitralizē gravitāciju. Šo spēku sauc par peldošo spēku. Arhimēda princips apraksta peldošs spēks šķidrumā, tas ir, spēks, kas liek objektiem peldēt.

Arhimēds ļoti vienkārši norāda peldošā spēka vērtību: tas ir vienāds ar šķidruma svaru, kuru pārvietojis zem ūdens iegremdētais objekts. Šo svaru var viegli aprēķināt kā iegremdētā objekta (vai objekta daļas) tilpuma, šķidruma blīvuma un g reizinājumu, gravitācijas paātrinājumu.

Tā kā gravitācijas spēks uz objektu ir tā masas un g reizinājums, un tā masa ir vienāda ar tā tilpuma un blīvuma reizinājums, ir viegli redzēt, ka, lai peldētu, objektiem jābūt mazāk blīviem nekā ūdens.

Vēl viena šķidrumu īpašība ir viskozitāte. Viskozitāte ir šķidruma plāna vai biezuma vai tā izturības pret plūsmu vai caur to šķērsojošiem priekšmetiem mērījums. Ja salīdzinātu, piemēram, sīrupu ar ūdeni, pamanītu, ka ūdens ielej ātrāk un ātrāk nekā biezais sīrups. Tas ir tāpēc, ka sīrupam ir lielāka viskozitāte. Tiek teikts, ka tas ir viskozāks.

Viskozitāti izraisa berze starp molekulām plūstoša šķidruma slāņos. Jo lielāka berze, jo lielāka viskozitāte. Faktori, kas nosaka šķidruma viskozitāti, ietver temperatūru un molekulāro formu.