Hva er egenskapene til væske?

Hvis noen ba deg definere "væske", kan du starte med din hverdagsopplevelse med ting du vet som kvalifiserer som væsker og forsøke å generalisere derfra. Vann er selvfølgelig den viktigste og allestedsnærværende væsken på jorden; en ting som skiller den ut er at den ikke har noen bestemt form, i stedet for å være i samsvar med formen på det som inneholder den, være dette en fingerbøl eller en massiv depresjon på planeten. Du forbinder sannsynligvis "væske" med "flytende", for eksempel en elvestrøm, eller smeltet is som løper nedover siden av en stein.

Denne "Du kjenner en væske når du ser en" -ideen har imidlertid sine grenser. Vann er tydeligvis en væske, det samme er brus. Men hva med en milkshake, som sprer seg over en hvilken som helst overflate den helles på, men saktere enn vann eller brus. Og hvis en milkshake er en væske, hva med iskrem som er i ferd med å smelte? Eller iskremen i seg selv? Når det skjer, har fysikere med hjelp produsert formelle definisjoner av en væske, sammen med de to andre tilstandstilstandene.

Materiale kan eksistere i en av tre tilstander: Som et fast stoff, en væske eller en gass. Du kan se folk som bruker "væske" og "væske" om hverandre i hverdagsspråket, for eksempel "Drikk rikelig med væske når du trener i varmt vær" og "Det er viktig å konsumere mye væske når du løper maraton." Men formelt utgjør den flytende tilstanden til materien og gasstilstanden til materien sammen væsker. En væske er alt som mangler evnen til å motstå deformasjon. Selv om ikke alle væsker er væsker, gjelder de fysiske ligningene for væsker universelt på væsker så vel som på gasser. Derfor kan ethvert matematisk problem du blir bedt om å løse som involverer væsker, utarbeides ved å bruke ligningene som styrer væskedynamikk og kinetikk.

Tørrstoffer, væsker og gasser er laget av mikroskopiske partikler, og oppførselen til hver bestemmer den resulterende tilstanden til materien. I et fast stoff er partiklene tett pakket, vanligvis i et vanlig mønster; disse partiklene vibrerer, eller "jiggler", men beveger seg generelt ikke fra sted til sted. I en gass er partikler godt skilt og har ingen regelmessig ordning; de vibrerer og beveger seg fritt i betydelige hastigheter. Partikler i en væske er tett sammen, men ikke så tett pakket som i faste stoffer. Disse partiklene har ingen regelmessig ordning og ligner gasser i stedet for faste stoffer i denne forbindelse. Partiklene vibrerer, beveger seg rundt og glir forbi hverandre.

Både gasser og væsker antar formen på uansett beholdere de okkuperer, en fast eiendom har ikke. Gasser, fordi de normalt har så mye rom mellom partikler, blir lett komprimert av mekaniske krefter. Væsker komprimeres ikke lett, og faste stoffer blir fortsatt mindre komprimert. Både gasser og væsker, som som nevnt ovenfor kalles væsker, flyter lett; faste stoffer ikke.

For det første har væsker kinematiske egenskaper, eller egenskaper relatert til væskebevegelse, slik som hastighet og akselerasjon. Tørrstoffer har selvfølgelig også slike egenskaper, men ligningene som brukes til å beskrive dem er forskjellige. For det andre har væsker termodynamiske egenskaper, som beskriver den termodynamiske tilstanden til en væske. Disse inkluderer:

• temperatur
  
• press
  
• tetthet
  
• indre energi
  
• spesifikk entropi
  
• spesifikk entalpi
  
• andre

Bare noen få av disse vil bli beskrevet her. Til slutt har væsker et antall forskjellige egenskaper som ikke faller inn i noen av de to andre kategoriene (f.eks. Viskositet, et mål på væskens friksjon; overflatespenning; og damptrykk).

De to væskene av stor interesse i den virkelige verden er vann og luft. Vanlige typer væsker i tillegg til vann inkluderer olje, bensin, parafin, løsemidler og drikkevarer. Mange av de vanligste væskene, inkludert drivstoff og løsningsmidler, er giftige, brannfarlige eller på annen måte farlige, noe som gjør dem farlige for har i hjemmet fordi hvis barn får tak i dem, kan de forvirre dem med drikkevann og konsumere dem, noe som kan føre til alvorlige helsetilfeller.

Menneskekroppen, og faktisk nesten alt liv, er overveiende vann. Blod regnes ikke som en væske, fordi de faste stoffene i blod ikke er jevnt spredt gjennom eller fullstendig oppløst i det. I stedet betraktes det som en suspensjon. Plasmakomponenten i blod kan betraktes som en væske for de fleste formål. Uansett er væskevedlikehold viktig for hverdagen. I de fleste situasjoner tenker ikke folk på hvor kritisk drikkevæsker er for å overleve, fordi det i den moderne verden er sjelden man ikke har klar tilgang til rent vann. Men folk får rutinemessig fysiske problemer som et resultat av overdreven væsketap under sportskonkurranser som maraton, fotballspill og triatlon, selv om noen av disse begivenhetene inkluderer bokstavelig talt dusinvis av hjelpestasjoner som tilbyr vann, sportsdrikker og energigeler (som kan vurderes væsker). Det er en nysgjerrighet i evolusjonen at så mange mennesker klarer å bli dehydrert selv mens de vanligvis vet hvor mye de må drikke for å oppnå topp ytelse eller i det minste unngå å avvikle medisinsk telt.

Noen av væskens fysikk er beskrevet, sannsynligvis nok til at du kan holde deg selv i en grunnleggende vitenskapelig samtale om flytende egenskaper. Imidlertid er det i området væskestrøm der ting blir spesielt interessante.

Væskemekanikk er grenen av fysikk som studerer væskens dynamiske egenskaper. På grunn av betydningen av luft og andre gasser i luftfart og andre tekniske felt, i denne delen, "væske" kan referere til enten en væske eller en gass - ethvert stoff som endrer form jevnt som respons på ytre krefter. Væskens bevegelse kan karakteriseres av differensiallikninger, som stammer fra kalkulus. Bevegelsen av væsker, som bevegelsen av faste stoffer, overfører masse, momentum (masse ganger hastighet) og energi (kraft multiplisert med avstand) i strømmen. I tillegg kan væskens bevegelse beskrives av bevaringsligninger, slik som Navier-Stokes-ligningene.

En måte som væsker beveger seg på som faste stoffer ikke er, er at de viser klipping. Dette er en konsekvens av beredskapen som væsker kan deformeres med. Klipping refererer til differensielle bevegelser i en væskekropp som et resultat av påføring av asymmetriske krefter. Et eksempel er en vannkanal som viser virvler og andre lokaliserte bevegelser selv når vannet som helhet beveger seg gjennom kanalen med en fast hastighet når det gjelder volum per tidsenhet. Skjærspenningen τ (den greske bokstaven tau) til en væske er lik hastighetsgradienten (du / dy) multiplisert med den dynamiske viskositeten μ; det vil si τ = μ (du / dy).

Andre konsepter relatert til væskebevegelser inkluderer dra og løft, som begge er avgjørende for luftfartsteknikk. Drag er en motstandskraft som kommer i to former: Surface drag, som virker på overflaten av en kropp som beveger seg gjennom vann (f.eks. en svømmeres hud), og danner drag, som har å gjøre med kroppens generelle form som beveger seg gjennom væske. Denne kraften er skrevet:

F_D = C_DρA (v²/2)

Der C er en konstant som avhenger av naturen til objektet som opplever drag, ρ er tetthet, A er tverrsnittsareal og v er hastighet. Tilsvarende er løft, som er en nettokraft som virker vinkelrett på bevegelsesretningen til en væske, beskrevet av uttrykket:

F_L = C_LρA (v²/2)

Cirka 60 prosent av kroppens totale vekt består av vann. Omtrent to tredjedeler av dette, eller 40 prosent av totalvekten, er inne i celler, mens den andre tredjedelen, eller 20 prosent av vekten din, befinner seg i det som kalles det ekstracellulære rommet. Vannkomponenten i blodet er i dette ekstracellulære rommet, og utgjør omtrent en fjerdedel av alt ekstracellulært vann, dvs. 5 prosent av kroppens totale. Siden omtrent 60 prosent av blodet ditt faktisk består av plasma, mens de andre 40 prosent er faste stoffer (f.eks. røde blodlegemer), kan du beregne hvor mye blod du har i kroppen din basert på vekt.

En person på 70 kg (154 pund) har omtrent (0,60) (70) = 42 kg vann i kroppen sin. En tredjedel vil være ekstracellulær væske, ca. 14 kg. En fjerde av dette vil være blodplasma - 3,5 kg. Dette betyr at den totale mengden blod i denne personens kropp veier omtrent (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.