Jakie są właściwości płynu?

Jeśli ktoś poprosiłby cię o zdefiniowanie „płynu”, możesz zacząć od swoich codziennych doświadczeń z rzeczami, o których wiesz, że kwalifikują się jako płyny i próbować na tej podstawie uogólniać. Woda jest oczywiście najważniejszą i wszechobecną cieczą na Ziemi; jedną rzeczą, która go wyróżnia, jest to, że nie ma określonego kształtu, zamiast tego dostosowuje się do kształtu tego, co go zawiera, czy to naparstek, czy ogromne zagłębienie na planecie. Prawdopodobnie kojarzysz „ciecz” z „płynięciem”, takim jak nurt rzeki lub stopiony lód spływający po zboczu skały.

Ten pomysł „Znasz płyn, gdy go widzisz” ma jednak swoje ograniczenia. Woda jest wyraźnie cieczą, podobnie jak soda. Ale co z koktajlem mlecznym, który rozpływa się po każdej powierzchni, na którą jest wylany, ale wolniej niż woda lub napój gazowany. A jeśli koktajl mleczny jest płynem, to co powiesz na lody, które zaraz się rozpuszczą? A może same lody? Tak się składa, że ​​fizycy opracowali formalne definicje cieczy, wraz z pozostałymi dwoma stanami skupienia.

Materia może istnieć w jednym z trzech stanów: jako ciało stałe, ciecz lub gaz. Możesz spotkać ludzi używających zamiennie słów „płyn” i „płyn” w języku potocznym, np. „Pij dużo płynów podczas ćwiczeń w czasie upałów” i „Ważne jest, aby podczas maratonu spożywać dużo płynów”. Ale formalnie, płynny stan materii i gazowy stan materii tworzą razem płyny. Płyn to wszystko, co nie jest w stanie oprzeć się deformacji. Chociaż nie wszystkie płyny są cieczami, równania fizyczne rządzące płynami mają zastosowanie zarówno do cieczy, jak i gazów. Dlatego każdy problem matematyczny, który zostaniesz poproszony o rozwiązanie, który dotyczy cieczy, można rozwiązać za pomocą równań rządzących dynamiką i kinetyką płynów.

Ciała stałe, ciecze i gazy zbudowane są z mikroskopijnych cząstek, których zachowanie determinuje wynikowy stan materii. W ciele stałym cząstki są ciasno upakowane, zwykle w regularny wzór; cząstki te wibrują lub „podskakują”, ale generalnie nie przemieszczają się z miejsca na miejsce. W gazie cząstki są dobrze rozdzielone i nie mają regularnego ułożenia; wibrują i poruszają się swobodnie ze znaczną prędkością. Cząsteczki w cieczy są blisko siebie, choć nie tak ciasno upakowane jak w ciałach stałych. Cząstki te nie mają regularnego ułożenia i pod tym względem przypominają raczej gazy niż ciała stałe. Cząsteczki wibrują, poruszają się i przesuwają obok siebie.

Zarówno gazy, jak i ciecze przyjmują kształt dowolnych pojemników, których nie posiadają, a których nie mają ciała stałe. Gazy, ponieważ zwykle mają tak dużo miejsca między cząstkami, łatwo ulegają kompresji siłami mechanicznymi. Ciecze nie dają się łatwo skompresować, a ciała stałe są jeszcze trudniej skompresowane. Zarówno gazy, jak i ciecze, które, jak wspomniano powyżej, są razem nazywane płynami, płyną z łatwością; ciała stałe nie.

Po pierwsze, płyny mają właściwości kinematycznelub właściwości związane z ruchem płynu, takie jak prędkość i przyspieszenie. Bryły oczywiście również mają takie właściwości, ale równania używane do ich opisu są inne. Po drugie, płyny mają właściwości termodynamiczne, które opisują stan termodynamiczny płynu. Obejmują one:

• temperatura
  
• nacisk
  
• gęstość
  
• energia wewnętrzna
  
• specyficzna entropia
  
• entalpia właściwa
  
• inni

Tylko kilka z nich zostanie tutaj szczegółowo omówionych. Wreszcie płyny mają szereg różnych właściwości, które nie należą do żadnej z dwóch pozostałych kategorii (np. lepkość, miara tarcia płynu; napięcie powierzchniowe; i prężność pary).

Dwa płyny o dużym znaczeniu w świecie rzeczywistym to woda i powietrze. Typowe rodzaje płynów oprócz wody to olej, benzyna, nafta, rozpuszczalniki i napoje. Wiele częściej spotykanych cieczy, w tym paliwa i rozpuszczalniki, jest trujących, łatwopalnych lub w inny sposób niebezpiecznych, co czyni je niebezpiecznymi dla mieć w domu, ponieważ jeśli dzieci je zdobędą, mogą je pomylić z płynami pitnymi i spożyć, co prowadzi do tragicznych problemów zdrowotnych.

Ciało ludzkie, a właściwie prawie całe życie, składa się głównie z wody. Krew nie jest uważana za ciecz, ponieważ substancje stałe we krwi nie są w niej równomiernie rozproszone lub całkowicie w niej rozpuszczone. Zamiast tego jest uważane za zawieszenie. W większości przypadków składnik osocza krwi może być uważany za płyn. Niezależnie od tego, utrzymanie płynów jest niezbędne w codziennym życiu. W większości sytuacji ludzie nie zastanawiają się nad tym, jak krytyczne dla przetrwania są płyny pitne, ponieważ we współczesnym świecie rzadko zdarza się, aby nie mieli dostępu do czystej wody. Ale ludzie rutynowo popadają w kłopoty fizyczne w wyniku nadmiernej utraty płynów podczas zawodów sportowych, takich jak maratony, mecze piłki nożnej i triathlonów, choć niektóre z tych wydarzeń to dosłownie dziesiątki punktów pomocy oferujących wodę, napoje dla sportowców i żele energetyczne (które można rozważyć płyny). To ciekawostka ewolucji, że tak wielu ludziom udaje się odwodnić, nawet jeśli zwykle wiedzą know ile muszą pić, aby osiągnąć najlepsze wyniki lub przynajmniej uniknąć skończenia w medycynie namiot.

Niektóre z fizyki płynów zostały opisane, prawdopodobnie na tyle, aby umożliwić ci samodzielne prowadzenie podstawowej rozmowy naukowej na temat właściwości płynów. Jednak to w obszarze przepływu płynów rzeczy stają się szczególnie interesujące.

Mechanika płynów to dziedzina fizyki zajmująca się badaniem dynamicznych właściwości płynów. W tej sekcji, ze względu na znaczenie powietrza i innych gazów w lotnictwie i innych dziedzinach inżynierii, „płyn” może odnosić się do cieczy lub gazu – dowolnej substancji, która zmienia kształt równomiernie w odpowiedzi na działanie czynników zewnętrznych siły. Ruch płynów można scharakteryzować równaniami różniczkowymi, które wynikają z rachunku różniczkowego. Ruch płynów, podobnie jak ruch ciał stałych, przenosi masę, pęd (masa razy prędkość) i energię (siła pomnożona przez odległość) w przepływie. Ponadto ruch płynów można opisać równaniami zachowania, takimi jak równania Naviera-Stokesa.

Jednym ze sposobów, w jaki płyny poruszają się w przeciwieństwie do ciał stałych, jest ich ścinanie. Wynika to z gotowości, z jaką płyny mogą ulec deformacji. Ścinanie odnosi się do ruchów różnicowych w płynie w wyniku przyłożenia sił asymetrycznych. Przykładem jest kanał wodny, który wykazuje wiry i inne miejscowe ruchy, nawet gdy woda jako całość porusza się przez kanał ze stałą szybkością pod względem objętości na jednostkę czasu. Naprężenie ścinające τ (grecka litera tau) płynu jest równe gradientowi prędkości (du/dy) pomnożonemu przez lepkość dynamiczną μ; to znaczy τ = μ(du/dy).

Inne koncepcje związane z ruchami płynów obejmują przeciąganie i podnoszenie, które mają kluczowe znaczenie w inżynierii lotniczej. Opór to siła oporu występująca w dwóch postaciach: Opór powierzchniowy, który działa tylko na powierzchnię poruszającego się ciała woda (np. skóra pływaka) i opór formowy, który ma związek z ogólnym kształtem ciała poruszającego się po płyn. Ta siła jest napisana:

fa_re = C_reρA(v²/2)

Gdzie C jest stałą zależną od charakteru obiektu doświadczającego oporu, ρ to gęstość, A to pole przekroju poprzecznego, a v to prędkość. Podobnie winda, która jest siłą wypadkową działającą prostopadle do kierunku ruchu płynu, jest opisana wyrażeniem:

fa_L = C_LρA(v²/2)

Około 60 procent całkowitej masy ciała składa się z wody. Około dwie trzecie z tego, czyli 40 procent twojej całkowitej wagi, znajduje się w komórkach, podczas gdy druga trzecia, czyli 20 procent twojej wagi, znajduje się w tak zwanej przestrzeni pozakomórkowej. Wodny składnik krwi znajduje się w tej przestrzeni pozakomórkowej i stanowi około jednej czwartej całej wody pozakomórkowej, czyli 5 procent całości organizmu. Ponieważ około 60 procent twojej krwi składa się w rzeczywistości z osocza, podczas gdy pozostałe 40 procent to ciała stałe (np. czerwone krwinki), możesz obliczyć, ile krwi masz w swoim ciele na podstawie twojego waga.

Osoba o wadze 70 kg (154 funtów) ma około (0,60) (70) = 42 kg wody w swoim ciele. Jedna trzecia to płyn pozakomórkowy, około 14 kg. Jedna czwarta to osocze krwi – 3,5 kg. Oznacza to, że całkowita ilość krwi w ciele tej osoby waży około (3,5 kg/0,6) = 5,8 kg.