Vloeistoffen (natuurkunde): definitie, eigenschappen en voorbeelden

Vloeistof is een van de vier toestanden van materie, de andere zijn vast, gas en plasma. De studie van de fysica in verband met vloeistoffen is een verrassend groot gebied. Maar als je bedenkt hoeveel van je leven afhangt van water dat door leidingen stroomt, of boten die in de oceaan kunnen drijven, of zelfs uw pannenkoekensiroop goed uit de container kan stromen, is het gemakkelijk in te zien waarom de studie en het begrip van vloeistoffen is belangrijk.

Er zijn vier hoofdtoestanden van materie: vaste toestand, vloeibare toestand, gastoestand en plasma. Materie kan van de ene toestand naar de andere veranderen, afhankelijk van de omstandigheden van druk en temperatuur.

In een solide, de moleculen van het materiaal zijn stevig gebonden en het materiaal behoudt zijn vorm. In een vloeistof, zijn de moleculen minder strak gebonden en kunnen ze langs elkaar schuiven of stromen. In een gas-, worden de moleculen van elkaar gescheiden. Een gas vult altijd de container waarin het zich bevindt en kan gemakkelijk uitzetten en krimpen, terwijl vloeistoffen en vaste stoffen dat niet (of in ieder geval niet in dezelfde mate) kunnen.

Wanneer een gas condenseert en de moleculen dicht genoeg bij elkaar komen om elkaar te beïnvloeden en te hechten, verandert het in een vloeibare vorm. Hiervoor is meestal koeling nodig, waardoor energie uit het systeem wordt gehaald.

Als iets in vaste vorm smelt, wordt het een vloeistof. Dit vereist typisch verwarming die energie aan het systeem toevoegt. Naarmate de temperatuur van het materiaal toeneemt, neemt de moleculaire beweging toe en overwint de intermoleculaire krachten die proberen de moleculen stevig bij elkaar te houden.

Zoals eerder vermeld, is vloeistof een toestand van materie. De onsamendrukbaarheid van vloeistoffen betekent dat ze een vast volume (bepaald volume) en zet niet uit of krimpt niet op een significante manier zoals een gas zou kunnen.

In een vloeistof zijn de moleculen zwak met elkaar verbonden door cohesiekrachten en kunnen ze vrij langs elkaar stromen. Vloeistoffen nemen de vorm aan van het onderste deel van de container waarin ze zich bevinden en behouden geen duidelijke vorm zoals vaste stoffen.

Vloeistoffen worden vaak gecategoriseerd als a vloeistof, een breder label dat wordt toegepast op zowel vloeistoffen als gassen. Een vloeistof is een stof die kan stromen, en veel van de natuurkundige wetten die van toepassing zijn op de vloeistofstroom zijn ook van toepassing op de stroom van gassen.

Voorbeelden van vloeistoffen zijn overal om je heen te vinden. Degene waar je waarschijnlijk het meest bekend mee bent, is water omdat het nodig is voor het leven en ongeveer 71 procent van het aardoppervlak beslaat. Omdat water bij standaardtemperaturen op aarde in vloeibare vorm is, wordt aangenomen dat dit de reden is dat het leven zich hier heeft kunnen vormen en bloeien.

Er zijn natuurlijk veel andere stoffen die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn, waaronder alcohol, benzine en zelfs kwik.

Stoffen die alleen in vloeibare vorm bij veel lagere temperaturen bestaan, zijn acetyleen, kooldioxide, methaan en vloeibare stikstof. Stoffen die alleen in vloeibare vorm bij veel hogere temperaturen bestaan, zijn aluminium en vele andere metalen, koolstof, porselein en zand.

Vloeibaar kristal is een toestand van materie tussen vloeibaar en vast. Sommige stoffen hebben in wezen twee verschillende smeltpunten: een waarop ze een vloeibaar kristal worden en een ander hoger punt waarop ze een gewone vloeistof worden. Vloeibare kristallen kunnen stromen als een vloeistof, maar vertonen ook symmetrieën die typisch geassocieerd worden met kristallijne vaste stoffen. Vloeibare kristallen worden gebruikt in displays van horloges, rekenmachines en tv's.

Druk is een maat voor de kracht per oppervlakte-eenheid. In een vloeibare substantie drukken alle vloeibare moleculen tegen elkaar en creëren een interne druk. Je kunt je voorstellen dat de wanden van de container deze kracht per oppervlakte-eenheid ook voelen, en als je een gat zou porren, zou de druk de vloeistof naar buiten duwen.

Druk in een vloeistof is ook de reden waarom je in een zwembad kunt drijven. De bijbehorende kracht werkt de zwaartekracht tegen.

De waarde van de druk in een vloeistof hangt af van de dichtheid en de diepte van de vloeistof. De relatie is als volgt:

Waar P is druk, ρ is dichtheid, d is diepte, en g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht.

Het feit dat de druk toeneemt met de diepte, is de reden waarom duikers voorzichtig moeten zijn. Ze moeten hun lichaam laten acclimatiseren aan de toename en afname van de druk om letsel te voorkomen.

Bij vloeistof in een leiding zorgen drukverschillen langs de leiding ervoor dat de vloeistof gaat stromen. Dit komt omdat druk in wezen een kracht is en een ongebalanceerde kracht verandering in beweging veroorzaakt.

Zoals u waarschijnlijk weet, drijven sommige objecten, en sommige objecten zinken, en zelfs degenen die zinken, doen dat meestal langzaam. Dit vertelt ons dat er een kracht moet zijn die de vloeistof uitoefent die de zwaartekracht tegenwerkt. Deze kracht wordt de opwaartse kracht genoemd. Het principe van Archimedes beschrijft de drijfkracht in een vloeistof, dat wil zeggen, de kracht die ervoor zorgt dat objecten drijven.

Archimedes stelt de waarde van de opwaartse kracht heel eenvoudig: het is gelijk aan het gewicht van de vloeistof die wordt verplaatst door het ondergedompelde object. Dit gewicht kan eenvoudig worden berekend als het product van het volume van het object (of het deel van het object) dat is ondergedompeld, de dichtheid van de vloeistof en g, de versnelling als gevolg van de zwaartekracht.

Omdat de zwaartekracht op een object het product is van zijn massa en g, en zijn massa gelijk is aan de product van zijn volume en dichtheid, is het gemakkelijk in te zien dat om te drijven, objecten minder dicht moeten zijn dan water.

Een andere eigenschap van vloeistoffen is viscositeit. Viscositeit is een maat voor hoe dun of dik een vloeistof is of de weerstand tegen stroming of tegen objecten die er doorheen gaan. Als je siroop bijvoorbeeld met water zou vergelijken, zou je merken dat water sneller en sneller stroomt dan de dikke siroop. Dat komt omdat de siroop een hogere viscositeit heeft. Er wordt gezegd dat het stroperiger is.

Viscositeit wordt veroorzaakt door wrijving tussen moleculen in lagen van een stromende vloeistof. Hoe groter de wrijving, hoe groter de viscositeit. Factoren die de viscositeit van vloeistoffen bepalen, zijn onder meer temperatuur en moleculaire vorm.