Kādas ir šķidruma īpašības?

Ja kāds lūdza jūs definēt “šķidrumu”, jūs varat sākt ar ikdienas pieredzi ar lietām, kuras jūs zināt un kuras kvalificējamas kā šķidrumi, un mēģināt vispārināt no turienes. Protams, ūdens ir vissvarīgākais un visuresošākais šķidrums uz Zemes; viena lieta, kas to izceļ, ir tā, ka tai nav noteiktas formas, tā vietā, lai tā atbilstu visa saturošā formai, vai tā būtu uzpirksts vai milzīga depresija uz planētas. Jūs, iespējams, saistāt "šķidrumu" ar "plūstošu", piemēram, upes straumi vai izkusušo ledu, kas iet pa klints malu.

Tomēr šai idejai "Jūs zināt šķidrumu, kad redzat vienu" ir savas robežas. Ūdens nepārprotami ir šķidrums, tāpat kā soda. Bet ko par piena kokteili, kas izplatās pa jebkuru virsmu, uz kuras tas tiek izliets, bet lēnāk nekā ūdens vai soda. Un, ja piena kokteilis ir šķidrums, tad kā ar saldējumu, kas tikko izkusīs? Vai pats saldējums? Kā tas notiek, fiziķi ir palīdzējuši sagatavot formālas šķidruma definīcijas kopā ar pārējiem diviem matērijas stāvokļiem.

Matērija var pastāvēt vienā no trim stāvokļiem: kā cieta viela, šķidrums vai gāze. Iespējams, redzēsit cilvēkus, kas ikdienas valodā lieto "šķidrumu" un "šķidrumu", piemēram, "Dzeriet daudz šķidruma, kad vingrojat karstā laikā" un "Skrienot maratonu, ir svarīgi patērēt daudz šķidruma." Bet formāli vielas šķidrais stāvoklis un vielas gāzes stāvoklis kopā veido šķidrumi. Šķidrums ir jebkas, kam trūkst spējas pretoties deformācijai. Lai arī ne visi šķidrumi ir šķidrumi, fizikālie vienādojumi, kas regulē šķidrumus, universāli attiecas gan uz šķidrumiem, gan arī uz gāzēm. Tāpēc visas matemātiskās problēmas, kuras jums tiek lūgts atrisināt un kas saistītas ar šķidrumiem, var izstrādāt, izmantojot vienādojumus, kas regulē šķidruma dinamiku un kinētiku.

Cietās vielas, šķidrumus un gāzes izgatavo no mikroskopiskām daļiņām, un katra no tām nosaka vielas iegūto stāvokli. Cietā daļiņas ir cieši iepakotas, parasti pēc regulāras formas; šīs daļiņas vibrē vai "džigilē", bet parasti nepārvietojas no vienas vietas uz otru. Gāzē daļiņas ir labi atdalītas un tām nav regulāru izvietojumu; tie vibrē un brīvi pārvietojas ar ievērojamu ātrumu. Šķidrumā esošās daļiņas ir cieši blakus, kaut arī nav tik cieši iepakotas kā cietās daļās. Šīm daļiņām nav regulāra izkārtojuma, un šajā ziņā tās drīzāk atgādina gāzes, nevis cietas vielas. Daļiņas vibrē, pārvietojas un slīd garām viena otrai.

Gan gāzes, gan šķidrumi iegūst jebkādu tvertņu formu, kuras tās aizņem, cietajām daļām nav īpašības. Gāzes, jo tām parasti ir tik daudz vietas starp daļiņām, viegli saspiež ar mehāniskiem spēkiem. Šķidrumi nav viegli saspiesti, un cietās vielas joprojām ir mazāk saspiestas. Gan gāzes, gan šķidrumi, kurus, kā minēts iepriekš, kopā sauc par šķidrumiem, plūst viegli; cietās vielas nav.

Pirmkārt, šķidrumiem ir kinemātiskās īpašībasvai īpašības, kas saistītas ar šķidruma kustību, piemēram, ātrums un paātrinājums. Cietām daļām, protams, ir arī šādas īpašības, taču to aprakstīšanai izmantotie vienādojumi ir atšķirīgi. Otrkārt, šķidrumiem ir termodinamiskās īpašības, kas apraksta šķidruma termodinamisko stāvokli. Tie ietver:

• temperatūra
  
• spiediens
  
• blīvums
  
• iekšējā enerģija
  
• specifiska entropija
  
• specifiska entalpija
  
• citi

Šeit tiks detalizēti aprakstīti tikai daži no tiem. Visbeidzot, šķidrumiem ir vairākas dažādas īpašības, kas neietilpst nevienā no pārējām divām kategorijām (piemēram, viskozitāte, šķidruma berzes mērs; virsmas spraigums; un tvaika spiediens).

Divi šķidrumi, kas visvairāk interesē reālajā pasaulē, ir ūdens un gaiss. Papildus ūdenim bieži sastopamie šķidrumu veidi ir eļļa, benzīns, petroleja, šķīdinātāji un dzērieni. Daudzi no biežāk sastopamajiem šķidrumiem, ieskaitot degvielu un šķīdinātājus, ir indīgi, viegli uzliesmojoši vai kā citādi bīstami, padarot tos bīstamus ir mājās, jo, ja bērni viņus satver, viņi var sajaukt tos ar dzeramajiem šķidrumiem un patērēt, izraisot smagas ārkārtas situācijas veselības jomā.

Cilvēka ķermenis un faktiski gandrīz visa dzīve pārsvarā ir ūdens. Asinis netiek uzskatītas par šķidrumu, jo asinīs esošās cietās vielas nav vienmērīgi izkliedētas vai pilnībā izšķīdušas. Tā vietā to uzskata par apturēšanu. Asins plazmas komponentu lielākoties var uzskatīt par šķidrumu. Neatkarīgi no tā, šķidruma uzturēšana ir vitāli nepieciešama ikdienas dzīvē. Lielākajā daļā gadījumu cilvēki nedomā par to, cik izdzīvošanai kritiski ir dzeramie šķidrumi, jo mūsdienu pasaulē reti ir tā, ka nav gatava piekļūt tīram ūdenim. Bet cilvēki parasti nonāk fiziskās grūtībās pārmērīga šķidruma zuduma dēļ sporta sacensībās, piemēram, maratonos, futbola spēlēs un citur triatloni, kaut arī daži no šiem notikumiem ietver burtiski desmitiem palīdzības staciju, kas piedāvā ūdeni, sporta dzērienus un enerģijas želejas (ko varētu uzskatīt par šķidrumi). Evolūcijas ziņkārība ir tāda, ka tik daudziem cilvēkiem izdodas dehidrēt pat tad, kad viņi parasti zina cik daudz viņiem jāizdzer, lai sasniegtu vislabāko sniegumu vai vismaz izvairītos no likvidācijas medicīnas jomā telts.

Daži šķidrumu fizikas veidi ir aprakstīti, iespējams, pietiekami, lai ļautu jums paturēt sevi pamata zinātniskajā sarunā par šķidruma īpašībām. Tomēr tieši šķidruma plūsmas zonā lietas kļūst īpaši interesantas.

Šķidruma mehānika ir fizikas nozare, kas pēta šķidrumu dinamiskās īpašības. Šajā sadaļā, ņemot vērā gaisa un citu gāzu nozīmi aeronautikā un citās inženierzinātņu jomās, "šķidrums" var attiekties vai nu uz šķidrumu, vai uz gāzi - jebkuru vielu, kuras forma vienmērīgi mainās, reaģējot uz ārējo spēki. Šķidrumu kustību var raksturot ar diferenciālvienādojumiem, kas izriet no kalkulācijas. Šķidrumu kustība, tāpat kā cieto vielu kustība, plūsmā pārnes masu, impulsu (masa reizina ar ātrumu) un enerģiju (spēks reizināts ar attālumu). Turklāt šķidrumu kustību var aprakstīt ar saglabāšanas vienādojumiem, piemēram, Navjē-Stoka vienādojumiem.

Viens no šķidrumu kustības veidiem, kas cietajām daļām nav, ir tas, ka tiem ir bīdes. Tas ir sekas gatavībai, ar kuru šķidrumus var deformēt. Bīde attiecas uz diferencētām kustībām šķidruma ķermenī asimetrisku spēku iedarbības rezultātā. Piemērs ir ūdens kanāls, kas uzrāda virpuļus un citas lokalizētas kustības, pat ja ūdens kopumā pārvietojas pa kanālu ar fiksētu ātrumu attiecībā uz laika vienību. Šķidruma bīdes spriegums τ (grieķu burts tau) ir vienāds ar ātruma gradientu (du / dy), kas reizināts ar dinamisko viskozitāti μ; tas ir, τ = μ (du / dy).

Citi jēdzieni, kas saistīti ar šķidruma kustību, ietver vilkšanu un pacelšanu, kuriem abiem ir izšķiroša nozīme aviācijas tehnikā. Vilkšana ir pretestības spēks, kas izpaužas divos veidos: virsmas vilkšana, kas iedarbojas tikai uz ķermeņa virsmu, kas pārvietojas ūdeni (piem., peldētāja ādu) un veido pretestību, kas ir saistīts ar ķermeņa kopējo formu, kas pārvietojas pa šķidrums. Šis spēks ir rakstīts:

F_D = C_DρA (v²/2)

Kur C ir konstante, kas ir atkarīga no objekta rakstura, kurš piedzīvo pretestību, ρ ir blīvums, A ir šķērsgriezuma laukums un v ir ātrums. Līdzīgi pacelšanu, kas ir tīrs spēks, kas darbojas perpendikulāri šķidruma kustības virzienam, raksturo izteiciens:

F_L = C_LρA (v²/2)

Apmēram 60 procentus no ķermeņa kopējā svara veido ūdens. Aptuveni divas trešdaļas no tā jeb 40 procenti no jūsu kopējā svara ir šūnu iekšienē, bet otra trešdaļa jeb 20 procenti no jūsu svara atrodas tā sauktajā ārpusšūnu telpā. Asins ūdens sastāvdaļa atrodas šajā ārpusšūnu telpā, un tā veido apmēram vienu ceturtdaļu no visa ārpusšūnu ūdens, t.i., 5 procentus no ķermeņa kopējā daudzuma. Tā kā apmēram 60 procenti no jūsu asinīm faktiski sastāv no plazmas, bet pārējie 40 procenti ir cietās vielas (piemēram, sarkanās asins šūnas), jūs varat aprēķināt, cik daudz asiņu ir jūsu ķermenī, pamatojoties uz jūsu svars.

70 kg smagas (154 mārciņas) personas ķermenī ir aptuveni (0,60) (70) = 42 kg ūdens. Trešdaļa būtu ārpusšūnu šķidrums, apmēram 14 kg. Ceturtā daļa no tā būtu asins plazma - 3,5 kg. Tas nozīmē, ka kopējais asins daudzums šīs personas ķermenī sver aptuveni (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.