Ciecze (fizyka): definicja, właściwości i przykłady

Ciecz to jeden z czterech stanów materii, pozostałe to stan stały, gaz i plazma. Badanie fizyki związanej z cieczami to zaskakująco duży obszar. Ale jeśli weźmiesz pod uwagę, jak wiele w twoim życiu zależy od tego, czy woda płynie rurami lub łodziami, a nawet Twój syrop naleśnikowy jest w stanie prawidłowo wypływać z pojemnika, łatwo zrozumieć, dlaczego badanie i zrozumienie płynów jest ważny.

Istnieją cztery główne stany materii: stan stały, stan ciekły, stan gazowy i plazma. Materia może zmieniać się z jednego stanu w drugi w zależności od warunków ciśnienia i temperatury.

W solidny, cząsteczki materiału są ściśle związane, a materiał zachowuje swój kształt. W ciekły, cząsteczki są słabiej związane i mogą ślizgać się lub przepływać obok siebie. W gaz, cząsteczki zostają oddzielone od siebie. Gaz zawsze wypełni pojemnik, w którym się znajduje i może łatwo rozszerzać się i kurczyć, podczas gdy ciecze i ciała stałe nie mogą (a przynajmniej nie w tym samym stopniu). osocze to stan skupienia materii, który występuje, gdy gaz jest podgrzewany do punktu, w którym staje się zjonizowany.

Kiedy gaz skrapla się, a cząsteczki stają się wystarczająco blisko siebie, aby oddziaływać na siebie i przylegać, zmienia się w formę płynną. Zwykle wymaga to chłodzenia, które usuwa energię z systemu.

Kiedy coś w postaci stałej topi się, staje się cieczą. Zwykle wymaga to ogrzewania, które dodaje energię do systemu. Wraz ze wzrostem temperatury materiału wzrasta ruch molekularny i pokonuje siły międzycząsteczkowe, które próbują sztywno trzymać cząsteczki razem.

Jak wspomniano wcześniej, ciecz jest stanem skupienia. Nieściśliwość płynów oznacza, że ​​mają one a stała głośność (określona objętość) i nie rozszerzają się ani nie kurczą w żaden znaczący sposób, jak mógłby gaz.

W cieczy cząsteczki są słabo połączone siłami kohezji i mogą swobodnie przepływać obok siebie. Ciecze przyjmują kształt dolnej części dowolnego pojemnika, w którym się znajdują i nie zachowują określonego kształtu, jak ciała stałe.

Płyny są często klasyfikowane jako płyn, która jest szerszą etykietą stosowaną zarówno do cieczy, jak i gazów. Płyn to substancja, która może płynąć, a wiele praw fizyki, które odnoszą się do przepływu cieczy, dotyczy również przepływu gazów.

Przykłady płynów można znaleźć wszędzie wokół siebie. Ten, który prawdopodobnie najbardziej znasz, to woda, ponieważ jest niezbędna do życia i pokrywa około 71 procent powierzchni Ziemi. Ponieważ woda jest w postaci płynnej w standardowych temperaturach na Ziemi, uważa się, że jest to powód, dla którego mogło tu powstać i rozkwitnąć życie.

Istnieje oczywiście wiele innych substancji płynnych w temperaturze pokojowej, w tym alkohol, benzyna, a nawet rtęć.

Substancje, które występują w postaci płynnej tylko w znacznie niższych temperaturach, to acetylen, dwutlenek węgla, metan i ciekły azot. Substancje występujące w postaci płynnej tylko w znacznie wyższych temperaturach to aluminium i wiele innych metali, węgiel, porcelana i piasek.

Płynny kryształ jest stanem materii między cieczą a ciałem stałym. Niektóre substancje mają zasadniczo dwie różne temperatury topnienia: jedną, w której stają się ciekłym kryształem, i drugą wyższą, w której stają się zwykłą cieczą. Ciekłe kryształy mogą płynąć jak ciecz, ale również wykazywać symetrie typowo związane z krystalicznymi ciałami stałymi. Ciekłe kryształy są używane w wyświetlaczach zegarków, kalkulatorów i telewizorów.

Ciśnienie jest miarą siły na jednostkę powierzchni. W płynnej substancji wszystkie cząsteczki cieczy naciskają na siebie i tworzą creating Ciśnienie wewnętrzne. Możesz sobie wyobrazić, że ściany pojemnika również odczuwają tę siłę na jednostkę powierzchni, a gdybyś zrobił dziurę, ciśnienie wypchnęłoby ciecz.

Ciśnienie w cieczy jest również powodem, dla którego możesz pływać w basenie. Powiązana siła przeciwdziała grawitacji.

Wartość ciśnienia w cieczy zależy od gęstości cieczy i głębokości. Relacja jest następująca:

Gdzie P jest presja, ρ jest gęstość, re jest głębia i sol to przyspieszenie ziemskie.

Fakt, że ciśnienie wzrasta wraz z głębokością, jest powodem, dla którego nurkowie muszą być ostrożni. Muszą pozwolić swoim ciałom zaaklimatyzować się do wzrostu i spadku ciśnienia, aby uniknąć obrażeń.

W przypadku cieczy w rurze różnice ciśnień wzdłuż rury spowodują przepływ cieczy. Dzieje się tak, ponieważ ciśnienie jest zasadniczo siłą, a niezrównoważona siła powoduje zmianę ruchu.

Jak zapewne wiesz, niektóre przedmioty unoszą się, a niektóre toną, a nawet te, które toną, robią to powoli. To mówi nam, że musi istnieć siła, którą przykłada ciecz, która przeciwdziała grawitacji. Siła ta nazywana jest siłą wyporu. Zasada Archimedesa opisuje Siła wyporu w cieczy, czyli siła, która powoduje unoszenie się obiektów.

Archimedes bardzo prosto podaje wartość siły wyporu: Jest ona równa ciężarowi płynu wypartego przez zanurzony obiekt. Ciężar ten można łatwo obliczyć jako iloczyn objętości przedmiotu (lub części przedmiotu), który jest zanurzony, gęstości cieczy i przyspieszenia ziemskiego g.

Ponieważ siła grawitacji na przedmiot jest iloczynem jego masy i g, a jego masa jest równa equal iloczyn jego objętości i gęstości, łatwo zauważyć, że aby unosić się na wodzie, obiekty muszą być mniej gęste niż woda.

Kolejną właściwością płynów jest lepkość. Lepkość jest miarą tego, jak cienka lub gęsta jest ciecz lub jej oporność na przepływ lub na przechodzące przez nią obiekty. Jeśli porównasz na przykład syrop do wody, zauważysz, że woda leje się szybciej i szybciej niż gęsty syrop. To dlatego, że syrop ma wyższą lepkość. Mówi się, że jest bardziej lepki.

Lepkość jest spowodowana tarciem pomiędzy cząsteczkami w warstwach płynącego płynu. Im większe tarcie, tym większa lepkość. Czynniki określające lepkość cieczy obejmują temperaturę i kształt cząsteczki.