Wat zijn de eigenschappen van vloeistof?

Als iemand je zou vragen om 'vloeistof' te definiëren, zou je kunnen beginnen met je dagelijkse ervaring met dingen die je kent die kwalificeren als vloeistoffen en van daaruit proberen te generaliseren. Water is natuurlijk de belangrijkste en meest voorkomende vloeistof op aarde; een ding dat het onderscheidt, is dat het geen definitieve vorm heeft, in plaats daarvan overeenkomt met de vorm van wat het ook bevat, of dit nu een vingerhoed is of een enorme depressie op de planeet. Je associeert "vloeibaar" waarschijnlijk met "stromend", zoals een rivierstroom of gesmolten ijs dat langs de zijkant van een rots loopt.

Dit "je kent een vloeistof als je er een ziet" idee heeft echter zijn grenzen. Water is duidelijk een vloeistof, net als frisdrank. Maar hoe zit het met een milkshake, die zich uitspreidt over elk oppervlak waarop hij wordt gegoten, maar langzamer dan water of frisdrank. En als een milkshake een vloeistof is, hoe zit het dan met ijs dat op het punt staat te smelten? Of ijs zelf? Toevallig hebben natuurkundigen op nuttige wijze formele definities van een vloeistof opgesteld, samen met de andere twee toestanden van materie.

Materie kan in drie toestanden voorkomen: als een vaste stof, een vloeistof of een gas. U kunt mensen zien die "vloeibaar" en "vloeibaar" door elkaar gebruiken in alledaagse taal, zoals: "Drink veel vocht als u bij warm weer traint" en "Het is belangrijk om veel vloeistoffen te consumeren bij het lopen van een marathon." Maar formeel vormen de vloeibare toestand van materie en de gastoestand van materie samen vloeistoffen. Een vloeistof is alles dat niet in staat is vervorming te weerstaan. Hoewel niet alle vloeistoffen vloeistoffen zijn, zijn de fysische vergelijkingen die van toepassing zijn op vloeistoffen universeel van toepassing op zowel vloeistoffen als gassen. Daarom kan elk wiskundig probleem dat u moet oplossen waarbij vloeistoffen betrokken zijn, worden uitgewerkt met behulp van de vergelijkingen die van toepassing zijn op vloeistofdynamica en kinetiek.

Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen zijn gemaakt van microscopisch kleine deeltjes, waarbij het gedrag van elk de resulterende toestand van de materie bepaalt. In een vaste stof zijn deeltjes dicht opeengepakt, meestal in een regelmatig patroon; deze deeltjes trillen of "schudden", maar bewegen zich over het algemeen niet van plaats naar plaats. In een gas zijn deeltjes goed gescheiden en hebben ze geen regelmatige rangschikking; ze trillen en bewegen vrij met aanzienlijke snelheden. Deeltjes in een vloeistof liggen dicht bij elkaar, hoewel niet zo dicht opeengepakt als in vaste stoffen. Deze deeltjes hebben geen regelmatige rangschikking en lijken in dit opzicht meer op gassen dan op vaste stoffen. De deeltjes trillen, bewegen en glijden langs elkaar heen.

Zowel gassen als vloeistoffen nemen de vorm aan van welke containers ze ook innemen, een eigenschap die vaste stoffen niet hebben. Gassen, omdat ze normaal zoveel ruimte tussen deeltjes hebben, worden gemakkelijk samengeperst door mechanische krachten. Vloeistoffen worden niet gemakkelijk gecomprimeerd en vaste stoffen worden nog minder gemakkelijk gecomprimeerd. Zowel gassen als vloeistoffen, die zoals hierboven vermeld samen vloeistoffen worden genoemd, stromen gemakkelijk; vaste stoffen niet.

Ten eerste hebben vloeistoffen kinematische eigenschappen, of eigenschappen die verband houden met vloeistofbeweging, zoals snelheid en versnelling. Vaste stoffen hebben natuurlijk ook dergelijke eigenschappen, maar de vergelijkingen die worden gebruikt om ze te beschrijven zijn anders. Ten tweede hebben vloeistoffen: thermodynamische eigenschappen, die de thermodynamische toestand van een vloeistof beschrijven. Waaronder:

• temperatuur-
  
• druk
  
• dichtheid
  
• interne energie
  
• specifieke entropie
  
• specifieke enthalpie
  
• anderen

Slechts enkele hiervan zullen hier worden beschreven. Ten slotte hebben vloeistoffen een aantal diverse eigenschappen die niet in een van de andere twee categorieën vallen (bijvoorbeeld viscositeit, een maatstaf voor de wrijving van een vloeistof; oppervlaktespanning; en dampdruk).

De twee vloeistoffen die in de echte wereld van groot belang zijn, zijn water en lucht. Veel voorkomende soorten vloeistoffen naast water zijn olie, benzine, kerosine, oplosmiddelen en dranken. Veel van de meest voorkomende vloeistoffen, waaronder brandstoffen en oplosmiddelen, zijn giftig, ontvlambaar of anderszins gevaarlijk, waardoor ze gevaarlijk zijn voor in huis hebben, want als kinderen ze te pakken krijgen, kunnen ze ze verwarren met drinkbare vloeistoffen en ze consumeren, wat kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen.

Het menselijk lichaam, en eigenlijk bijna al het leven, bestaat voornamelijk uit water. Bloed wordt niet als een vloeistof beschouwd, omdat de vaste stoffen in het bloed er niet gelijkmatig doorheen zijn verspreid of er niet volledig in zijn opgelost. In plaats daarvan wordt het beschouwd als een schorsing. De plasmacomponent van bloed kan voor de meeste doeleinden als een vloeistof worden beschouwd. Hoe dan ook, vochtonderhoud is van vitaal belang voor het dagelijks leven. In de meeste situaties denken mensen niet na over hoe belangrijk drinkbare vloeistoffen zijn om te overleven, omdat het in de moderne wereld zeldzaam is om geen gemakkelijke toegang tot schoon water te hebben. Maar mensen komen regelmatig in fysieke problemen als gevolg van overmatig vochtverlies tijdens sportwedstrijden zoals marathons, voetbalwedstrijden en triatlons, hoewel sommige van deze evenementen letterlijk tientallen hulpposten omvatten die water, sportdranken en energiegels aanbieden (die als vloeistoffen). Het is een curiositeit van de evolutie dat zoveel mensen erin slagen uitgedroogd te raken, terwijl ze het meestal wel weten hoeveel ze moeten drinken om topprestaties te bereiken of in ieder geval te voorkomen dat ze in de medische wereld belanden tent.

Een deel van de fysica van vloeistoffen is beschreven, waarschijnlijk genoeg om je stand te houden in een fundamenteel wetenschappelijk gesprek over vloeistofeigenschappen. Het is echter op het gebied van vloeistofstroom waar dingen bijzonder interessant worden.

Vloeistofmechanica is de tak van de natuurkunde die de dynamische eigenschappen van vloeistoffen bestudeert. In deze sectie, vanwege het belang van lucht en andere gassen in de luchtvaart en andere technische gebieden, "vloeistof" kan verwijzen naar een vloeistof of een gas - elke stof die uniform van vorm verandert als reactie op externe krachten. De beweging van vloeistoffen kan worden gekarakteriseerd door differentiaalvergelijkingen, die voortkomen uit calculus. De beweging van vloeistoffen, zoals de beweging van vaste stoffen, brengt massa, momentum (massa maal snelheid) en energie (kracht vermenigvuldigd met afstand) in de stroom over. Bovendien kan de beweging van vloeistoffen worden beschreven met behoudsvergelijkingen, zoals de Navier-Stokes-vergelijkingen.

Een manier waarop vloeistoffen bewegen die vaste stoffen niet doen, is dat ze afschuiving vertonen. Dit is een gevolg van de bereidheid waarmee vloeistoffen kunnen worden vervormd. Afschuiving verwijst naar differentiële bewegingen binnen een vloeistoflichaam als gevolg van de toepassing van asymmetrische krachten. Een voorbeeld is een waterkanaal, dat wervelingen en andere plaatselijke bewegingen vertoont, zelfs als het water als geheel met een vaste snelheid in termen van volume per tijdseenheid door het kanaal beweegt. De schuifspanning τ (de Griekse letter tau) van een vloeistof is gelijk aan de snelheidsgradiënt (du/dy) vermenigvuldigd met de dynamische viscositeit μ; dat wil zeggen, τ = μ(du/dy).

Andere concepten met betrekking tot vloeiende bewegingen omvatten slepen en heffen, die beide cruciaal zijn in de luchtvaarttechniek. Drag is een weerstandskracht die in twee vormen voorkomt: oppervlakteweerstand, die inwerkt op alleen het oppervlak van een lichaam dat er doorheen beweegt water (bijvoorbeeld de huid van een zwemmer), en vormweerstand, wat te maken heeft met de algemene vorm van het lichaam dat door de vloeistof. Deze kracht is geschreven:

F_D = C_DρA(v²/2)

Waar C een constante is die afhangt van de aard van het object dat weerstand ondervindt, is ρ dichtheid, A is dwarsdoorsnede en v is snelheid. Evenzo wordt lift, een nettokracht die loodrecht op de bewegingsrichting van een vloeistof werkt, beschreven door de uitdrukking:

F_L = C_LρA(v²/2)

Ongeveer 60 procent van het totale gewicht van je lichaam bestaat uit water. Ongeveer tweederde hiervan, of 40 procent van je totale gewicht, bevindt zich in cellen, terwijl het andere derde, of 20 procent van je gewicht, zich in de zogenaamde extracellulaire ruimte bevindt. De watercomponent van bloed bevindt zich in deze extracellulaire ruimte en is goed voor ongeveer een vierde van al het extracellulaire water, d.w.z. 5 procent van het totaal van het lichaam. Aangezien ongeveer 60 procent van je bloed eigenlijk uit plasma bestaat, terwijl de andere 40 procent uit vaste stoffen bestaat (bijvoorbeeld rode bloedcellen), kunt u berekenen hoeveel bloed u in uw lichaam heeft op basis van uw gewicht.

Een persoon van 70 kg (154 pond) heeft ongeveer (0,60) (70) = 42 kg water in haar lichaam. Een derde zou extracellulair vocht zijn, ongeveer 14 kg. Een vierde hiervan zou bloedplasma zijn - 3,5 kg. Dit betekent dat de totale hoeveelheid bloed in het lichaam van deze persoon ongeveer (3,5 kg/0,6) = 5,8 kg weegt.