Quais são as propriedades do líquido?

Se alguém lhe pedir para definir "líquido", você pode começar com sua experiência cotidiana com coisas que você sabe que se qualificam como líquidos e tentar generalizar a partir daí. A água, é claro, é o líquido mais importante e onipresente na Terra; uma coisa que o diferencia é que ele não tem uma forma definida, em vez de se conformar com a forma de tudo o que o contém, seja um dedal ou uma enorme depressão no planeta. Você provavelmente associa "líquido" com "fluxo", como uma corrente de rio ou gelo derretido escorrendo pela lateral de uma rocha.

Essa ideia de "você reconhece um líquido quando vê um", entretanto, tem seus limites. A água é claramente um líquido, assim como o refrigerante. Mas que tal um milkshake, que se espalha sobre qualquer superfície em que é derramado, mas mais lentamente do que água ou refrigerante. E se um milkshake é um líquido, que tal um sorvete que está prestes a derreter? Ou o próprio sorvete? Acontece que os físicos produziram, de forma proveitosa, definições formais de um líquido, junto com os outros dois estados da matéria.

A matéria pode existir em um de três estados: como um sólido, um líquido ou um gás. Você pode ver pessoas usando "líquido" e "fluido" alternadamente na linguagem do dia-a-dia, como, "Beba muito líquido quando fizer exercícios em climas quentes" e "É importante consumir muitos líquidos ao correr uma maratona." Mas, formalmente, o estado líquido da matéria e o estado gasoso da matéria juntos constituem fluidos. Um fluido é qualquer coisa que não tenha a capacidade de resistir à deformação. Embora nem todos os fluidos sejam líquidos, as equações físicas que regem os fluidos aplicam-se universalmente aos líquidos e também aos gases. Portanto, qualquer problema matemático que você precise resolver que envolva líquidos pode ser resolvido usando as equações que regem a dinâmica e a cinética dos fluidos.

Sólidos, líquidos e gases são feitos de partículas microscópicas, com o comportamento de cada uma determinando o estado resultante da matéria. Em um sólido, as partículas são compactadas, geralmente em um padrão regular; essas partículas vibram, ou "balançam", mas em geral não se movem de um lugar para outro. Em um gás, as partículas são bem separadas e não têm um arranjo regular; eles vibram e se movem livremente em velocidades consideráveis. As partículas em um líquido estão juntas, embora não tão compactadas como nos sólidos. Essas partículas não têm um arranjo regular e se assemelham a gases em vez de sólidos a esse respeito. As partículas vibram, se movem e deslizam umas sobre as outras.

Tanto os gases quanto os líquidos assumem a forma de quaisquer recipientes que ocupem, uma propriedade que os sólidos não possuem. Os gases, porque normalmente têm muito espaço entre as partículas, são facilmente comprimidos por forças mecânicas. Os líquidos não são comprimidos facilmente e os sólidos ainda menos facilmente. Tanto os gases quanto os líquidos, que, como observado acima, são chamados de fluidos, fluem facilmente; sólidos, não.

Primeiro, os fluidos têm propriedades cinemáticas, ou propriedades relacionadas ao movimento do fluido, como velocidade e aceleração. É claro que os sólidos também têm essas propriedades, mas as equações usadas para descrevê-los são diferentes. Em segundo lugar, os fluidos têm propriedades termodinâmicas, que descreve o estado termodinâmico de um fluido. Esses incluem:

• temperatura
  
• pressão
  
• densidade
  
• energia interna
  
• entropia específica
  
• entalpia específica
  
• outras

Apenas alguns deles serão detalhados aqui. Finalmente, os fluidos têm uma série de propriedades diversas que não se enquadram em nenhuma das outras duas categorias (por exemplo, viscosidade, uma medida do atrito de um fluido; tensão superficial; e pressão de vapor).

Os dois fluidos de maior interesse no mundo real são a água e o ar. Os tipos comuns de líquidos além da água incluem óleo, gasolina, querosene, solventes e bebidas. Muitos dos líquidos mais comumente encontrados, incluindo combustíveis e solventes, são venenosos, inflamáveis ​​ou perigosos, tornando-os perigosos para têm em casa porque se os filhos os pegarem, podem confundi-los com líquidos potáveis ​​e consumi-los, levando a terríveis emergências de saúde.

O corpo humano, e na verdade quase toda a vida, é predominantemente água. O sangue não é considerado líquido, porque os sólidos no sangue não estão uniformemente dispersos ou totalmente dissolvidos nele. Em vez disso, é considerado uma suspensão. O componente plasmático do sangue pode ser considerado um líquido para a maioria das finalidades. Independentemente disso, a manutenção de fluidos é vital para a vida cotidiana. Na maioria das situações, as pessoas não pensam sobre como os líquidos potável são essenciais para a sobrevivência, porque no mundo moderno é raro não ter acesso imediato a água limpa. Mas as pessoas costumam ter problemas físicos como resultado de perdas excessivas de fluidos durante competições esportivas, como maratonas, jogos de futebol e triathlons, embora alguns desses eventos incluam literalmente dezenas de estações de ajuda que oferecem água, bebidas esportivas e géis energéticos (que podem ser considerados líquidos). É uma curiosidade da evolução que tantas pessoas consigam ficar desidratadas mesmo sabendo quanto eles devem beber para atingir o melhor desempenho ou, pelo menos, evitar acabar no médico barraca.

Algumas das físicas dos fluidos foram descritas, provavelmente o suficiente para permitir que você se mantenha em uma conversa científica básica sobre as propriedades dos líquidos. No entanto, é na área de fluxo de fluidos que as coisas se tornam especialmente interessantes.

A mecânica dos fluidos é o ramo da física que estuda as propriedades dinâmicas dos fluidos. Nesta seção, devido à importância do ar e de outros gases na aeronáutica e em outros campos da engenharia, "fluido" pode se referir a um líquido ou gás - qualquer substância que muda de forma uniformemente em resposta a forças. O movimento dos fluidos pode ser caracterizado por equações diferenciais, que derivam do cálculo. O movimento dos fluidos, assim como o movimento dos sólidos, transfere massa, momento (massa vezes velocidade) e energia (força multiplicada pela distância) no fluxo. Além disso, o movimento dos fluidos pode ser descrito por equações de conservação, como as equações de Navier-Stokes.

Uma maneira pela qual os fluidos se movem que os sólidos não é que eles apresentam cisalhamento. Isso é consequência da prontidão com que os fluidos podem ser deformados. O cisalhamento se refere a movimentos diferenciais dentro de um corpo de fluido como resultado da aplicação de forças assimétricas. Um exemplo é um canal de água, que exibe redemoinhos e outros movimentos localizados, mesmo quando a água como um todo se move através do canal a uma taxa fixa em termos de volume por unidade de tempo. A tensão de cisalhamento τ (a letra grega tau) de um fluido é igual ao gradiente de velocidade (du / dy) multiplicado pela viscosidade dinâmica μ; ou seja, τ = μ (du / dy).

Outros conceitos relacionados a movimentos de fluidos incluem arrasto e sustentação, ambos cruciais na engenharia aeronáutica. O arrasto é uma força resistiva que vem em duas formas: Arrasto de superfície, que atua apenas na superfície de um corpo em movimento água (por exemplo, a pele de um nadador) e forma de arrasto, que tem a ver com a forma geral do corpo se movendo através do fluido. Esta força está escrita:

F_D = C_DρA (v²/2)

Onde C é uma constante que depende da natureza do objeto sofrendo arrasto, ρ é densidade, A é a área da seção transversal ev é a velocidade. Da mesma forma, a sustentação, que é uma força resultante que atua perpendicularmente à direção do movimento de um fluido, é descrita pela expressão:

F_eu = C_euρA (v²/2)

Cerca de 60 por cento do peso total do seu corpo consiste em água. Aproximadamente dois terços disso, ou 40% do seu peso total, estão dentro das células, enquanto o outro terço, ou 20% do seu peso, está no que é chamado de espaço extracelular. O componente de água do sangue está neste espaço extracelular e é responsável por cerca de um quarto de toda a água extracelular, ou seja, 5 por cento do total do corpo. Uma vez que cerca de 60 por cento do seu sangue consiste realmente em plasma, enquanto os outros 40 por cento são sólidos (por exemplo, glóbulos vermelhos), você pode calcular quanto sangue você tem em seu corpo com base em seu peso.

Uma pessoa de 70 kg (154 libras) tem cerca de (0,60) (70) = 42 kg de água em seu corpo. Um terço seria fluido extracelular, cerca de 14 kg. Um quarto disso seria plasma sanguíneo - 3,5 kg. Isso significa que a quantidade total de sangue no corpo dessa pessoa pesa cerca de (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.