Care sunt proprietățile lichidului?

Dacă cineva v-ar cere să definiți „lichid”, ați putea începe cu experiența dvs. de zi cu zi cu lucruri pe care le cunoașteți, care se califică drept lichide și încercați să generalizați de acolo. Desigur, apa este cel mai important și omniprezent lichid de pe Pământ; un lucru care îl diferențiază este că nu are o formă definită, în loc să se conformeze formei a ceea ce o conține, fie că este un degetar sau o depresiune masivă pe planetă. Probabil asociați „lichidul” cu „curgerea”, cum ar fi un curent de râu sau gheața topită care curge pe partea unei stânci.

Această idee „Știi un lichid când vezi una” are totuși limitele sale. Apa este în mod clar un lichid, la fel și sifonul. Dar ce zici de un milkshake, care se întinde pe orice suprafață pe care este turnat, dar mai încet decât apa sau sifonul. Și dacă un milkshake este un lichid, atunci ce zici de înghețata care este pe cale să se topească? Sau înghețată în sine? Așa cum se întâmplă, fizicienii au produs cu ajutor definiții formale ale unui lichid, împreună cu celelalte două stări ale materiei.

Materia poate exista în una din cele trei stări: Sub formă de solid, lichid sau gaz. S-ar putea să vedeți oameni care folosesc „lichid” și „fluid” interschimbabil în limbajul de zi cu zi, cum ar fi „Bea multe lichide când faceți exerciții pe timp cald” și "Este important să consumi multe lichide atunci când alergi la un maraton." Dar în mod formal, starea lichidă a materiei și starea de gaz a materiei formează împreună lichide. Un fluid este tot ceea ce nu are capacitatea de a rezista la deformare. Deși nu toate fluidele sunt lichide, ecuațiile fizice care guvernează fluidele se aplică universal atât lichidelor, cât și gazelor. Prin urmare, orice problemă matematică pe care vi se cere să o rezolvați și care implică lichide poate fi rezolvată utilizând ecuațiile care guvernează dinamica fluidelor și cinetica.

Solidele, lichidele și gazele sunt formate din particule microscopice, comportamentul fiecăruia determinând starea rezultată a materiei. Într-un solid, particulele sunt strâns ambalate, de obicei într-un model regulat; aceste particule vibrează, sau „jiggle”, dar în general nu se mișcă dintr-un loc în altul. Într-un gaz, particulele sunt bine separate și nu au un aranjament regulat; vibrează și se mișcă liber la viteze considerabile. Particulele dintr-un lichid sunt apropiate, deși nu sunt la fel de strânse ca în solide. Aceste particule nu au un aranjament regulat și seamănă mai degrabă cu gazele decât cu solidele în acest sens. Particulele vibrează, se deplasează și alunecă unul lângă altul.

Atât gazele, cât și lichidele își asumă forma oricăror recipiente pe care le ocupă, o proprietate pe care solidele nu o au. Gazele, deoarece au în mod normal atât de mult spațiu între particule, sunt ușor comprimate de forțe mecanice. Lichidele nu sunt ușor de comprimat, iar solidele sunt încă mai puțin ușor de comprimat. Atât gazele, cât și lichidele, care, așa cum s-a menționat mai sus, sunt denumite împreună fluide, curg ușor; solidele nu.

În primul rând, fluidele au proprietățile cinematice, sau proprietăți legate de mișcarea fluidului, cum ar fi viteza și accelerația. Solidele, desigur, au și astfel de proprietăți, dar ecuațiile folosite pentru a le descrie sunt diferite. În al doilea rând, fluidele au proprietăți termodinamice, care descriu starea termodinamică a unui fluid. Acestea includ:

• temperatura
  
• presiune
  
• densitate
  
• energie interna
  
• entropie specifică
  
• entalpia specifică
  
• alții

Doar câteva dintre acestea vor fi detaliate aici. În cele din urmă, fluidele au o serie de proprietăți diverse care nu se încadrează în nici una din celelalte două categorii (de exemplu, vâscozitatea, o măsură a fricțiunii unui fluid; tensiune de suprafata; și presiunea vaporilor).

Cele două fluide de interes major în lumea reală sunt apa și aerul. Tipurile obișnuite de lichide în plus față de apă includ ulei, benzină, kerosen, solvenți și băuturi. Multe dintre lichidele mai frecvent întâlnite, inclusiv combustibili și solvenți, sunt otrăvitoare, inflamabile sau altfel periculoase, făcându-le periculoase pentru au în casă pentru că, dacă copiii îi apucă, îi pot confunda cu lichide potabile și le pot consuma, ducând la urgențe de sănătate cumplite.

Corpul uman, și de fapt aproape toată viața, este predominant apă. Sângele nu este considerat un lichid, deoarece solidele din sânge nu sunt dispersate uniform sau dizolvate complet în el. În schimb, este considerată o suspendare. Componenta plasmatică a sângelui poate fi privită ca un lichid în majoritatea scopurilor. Indiferent, întreținerea fluidelor este vitală pentru viața de zi cu zi. În cele mai multe situații, oamenii nu se gândesc la cât de critice sunt lichidele potabile pentru supraviețuire, deoarece în lumea modernă este rar să nu ai acces la apă curată. Dar oamenii se confruntă în mod obișnuit cu probleme fizice ca urmare a pierderilor excesive de lichide în timpul competițiilor sportive, cum ar fi maratoanele, jocurile de fotbal și triatloni, chiar dacă unele dintre aceste evenimente includ literalmente zeci de stații de ajutor care oferă apă, băuturi sportive și geluri energizante (care ar putea fi luate în considerare lichide). Este o curiozitate a evoluției pe care atât de mulți oameni reușesc să se deshidrateze chiar dacă știu de obicei cât trebuie să bea pentru a obține performanțe maxime sau cel puțin pentru a evita lichidarea medicală cort.

Unele dintre fizica fluidelor au fost descrise, probabil suficiente pentru a vă permite să vă țineți într-o conversație științifică de bază despre proprietățile lichidelor. Cu toate acestea, lucrurile devin deosebit de interesante în zona de curgere a fluidelor.

Mecanica fluidelor este ramura fizicii care studiază proprietățile dinamice ale fluidelor. În această secțiune, din cauza importanței aerului și a altor gaze în aeronautică și alte domenii de inginerie, „fluid” se poate referi fie la un lichid, fie la un gaz - orice substanță care își schimbă forma uniform ca răspuns la exterior forțelor. Mișcarea fluidelor poate fi caracterizată prin ecuații diferențiale, care provin din calcul. Mișcarea fluidelor, cum ar fi mișcarea solidelor, transferă masă, impuls (masa multiplă viteza) și energie (forța înmulțită cu distanța) în flux. În plus, mișcarea fluidelor poate fi descrisă prin ecuații de conservare, cum ar fi ecuațiile Navier-Stokes.

O modalitate prin care fluidele se mișcă pe care nu o fac solidele este că prezintă forfecare. Aceasta este o consecință a disponibilității cu care fluidele pot fi deformate. Tunsul se referă la mișcări diferențiale în interiorul unui corp de fluid ca urmare a aplicării forțelor asimetrice. Un exemplu este un canal de apă, care prezintă vârtejuri și alte mișcări localizate, chiar dacă apa în ansamblu se deplasează prin canal cu o rată fixă ​​în termeni de volum pe unitate de timp. Tensiunea de forfecare τ (litera greacă tau) a unui fluid este egală cu gradientul de viteză (du / dy) înmulțit cu vâscozitatea dinamică μ; adică τ = μ (du / dy).

Alte concepte legate de mișcările fluidelor includ tracțiunea și ridicarea, ambele fiind cruciale în ingineria aeronautică. Tragerea este o forță rezistivă care apare sub două forme: Tragerea la suprafață, care acționează doar pe suprafața unui corp care se deplasează prin apă (de exemplu, pielea unui înotător) și forma de tracțiune, care are legătură cu forma generală a corpului care se deplasează prin fluid. Această forță este scrisă:

F_D = C_DρA (v²/2)

Unde C este o constantă care depinde de natura obiectului care trage, ρ este densitatea, A este aria secțiunii transversale și v este viteza. În mod similar, ridicarea, care este o forță netă care acționează perpendicular pe direcția mișcării unui fluid, este descrisă prin expresia:

F_L = C_LρA (v²/2)

Aproximativ 60 la sută din greutatea totală a corpului dvs. constă din apă. Aproximativ două treimi din aceasta, sau 40% din greutatea totală, se află în interiorul celulelor, în timp ce cealaltă treime, sau 20% din greutatea ta, se află în ceea ce se numește spațiul extracelular. Componenta de apă a sângelui se află în acest spațiu extracelular și reprezintă aproximativ o pătrime din toată apa extracelulară, adică 5% din totalul corpului. Deoarece aproximativ 60 la sută din sângele dvs. constă de fapt din plasmă, în timp ce celelalte 40 la sută sunt solide (de exemplu, celule roșii din sânge), puteți calcula cât de mult sânge aveți în corp pe baza dvs. greutate.

O persoană de 70 kg (154 de kilograme) are aproximativ (0,60) (70) = 42 kg de apă în corpul ei. O treime ar fi lichid extracelular, aproximativ 14 kg. Un al patrulea dintre acestea ar fi plasma sanguină - 3,5 kg. Aceasta înseamnă că cantitatea totală de sânge din corpul acestei persoane cântărește aproximativ (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.