Каковы свойства жидкости?

Если кто-то попросил вас дать определение «жидкости», вы могли бы начать со своего повседневного опыта с вещей, которые, как вы знаете, квалифицируются как жидкости, и попытаться оттуда обобщить. Вода, конечно же, самая важная и вездесущая жидкость на Земле; одна вещь, которая отличает его, заключается в том, что он не имеет определенной формы, вместо этого соответствует форме того, что его содержит, будь то наперсток или массивная депрессия на планете. Вы, вероятно, ассоциируете «жидкость» с «течением», например, с речным течением или таянием льда, стекающим по склону скалы.

Однако идея «Вы узнаете жидкость, когда увидите ее» имеет свои пределы. Вода явно жидкая, как и сода. Но как насчет молочного коктейля, который растекается по любой поверхности, на которую его выливают, но медленнее, чем вода или газировка. А если молочный коктейль жидкий, как насчет мороженого, которое вот-вот растает? Или само мороженое? Так получилось, что физики помогли получить формальные определения жидкости, а также двух других состояний материи.

Материя может существовать в одном из трех состояний: в твердом, жидком или газообразном состоянии. Вы можете увидеть, как люди используют слова «жидкость» и «жидкость» как синонимы в повседневном языке, например: «Пейте много жидкости, когда тренируетесь в жаркую погоду» и «При беге на марафон важно употреблять много жидкости». Но формально жидкое состояние вещества и газовое состояние вещества вместе составляют жидкости. Жидкость - это все, что не обладает способностью сопротивляться деформации. Хотя не все жидкости являются жидкостями, физические уравнения, управляющие жидкостями, универсально применимы как к жидкостям, так и к газам. Следовательно, любую математическую задачу, которую вас просят решить, касающуюся жидкостей, можно решить, используя уравнения гидродинамики и кинетики.

Твердые тела, жидкости и газы состоят из микроскопических частиц, поведение каждой из которых определяет результирующее состояние вещества. В твердом теле частицы плотно упакованы, обычно в правильном порядке; эти частицы вибрируют или «покачиваются», но, как правило, не перемещаются с места на место. В газе частицы хорошо разделены и не имеют регулярного расположения; они колеблются и свободно перемещаются со значительной скоростью. Частицы в жидкости расположены близко друг к другу, хотя и не так плотно упакованы, как в твердых телах. Эти частицы не имеют регулярного расположения и в этом отношении напоминают газы, а не твердые тела. Частицы вибрируют, перемещаются и скользят друг мимо друга.

И газы, и жидкости принимают форму любых емкостей, которые они занимают, а твердые тела не обладают. Газы, поскольку между частицами обычно так много места, легко сжимаются механическими силами. Жидкости не так легко сжимать, а твердые тела еще труднее сжимать. И газы, и жидкости, которые, как отмечалось выше, вместе называются жидкостями, текут легко; твердые тела нет.

Во-первых, жидкости имеют кинематические свойстваили свойства, связанные с движением жидкости, такие как скорость и ускорение. Твердые тела, конечно, тоже обладают такими свойствами, но уравнения, используемые для их описания, разные. Во-вторых, жидкости имеют термодинамические свойства, которые описывают термодинамическое состояние жидкости. Это включает:

• температура
  
• давление
  
• плотность
  
• внутренняя энергия
  
• удельная энтропия
  
• удельная энтальпия
  
• другие

Здесь будут подробно описаны лишь некоторые из них. Наконец, жидкости обладают рядом различных свойств, которые не попадают ни в одну из двух других категорий (например, вязкость, мера трения жидкости; поверхностное натяжение; и давление пара).

Две жидкости, представляющие наибольший интерес в реальном мире, - это вода и воздух. Общие типы жидкостей, помимо воды, включают масло, бензин, керосин, растворители и напитки. Многие из наиболее часто встречающихся жидкостей, включая топливо и растворители, ядовиты, легковоспламеняемы или иным образом опасны, что делает их опасными для иметь дома, потому что, если дети схватят их, они могут спутать их с питьевыми жидкостями и потреблять их, что приведет к тяжелым ситуациям со здоровьем.

Человеческое тело, как и почти все живое, состоит преимущественно из воды. Кровь не считается жидкостью, потому что твердые вещества в крови неравномерно распределены и не растворены в ней полностью. Вместо этого это считается приостановкой. Плазменный компонент крови для большинства целей можно рассматривать как жидкость. Тем не менее, поддержание жидкости жизненно важно в повседневной жизни. В большинстве ситуаций люди не задумываются о том, насколько важны питьевые жидкости для выживания, потому что в современном мире редко можно получить доступ к чистой воде. Но люди обычно сталкиваются с физическими проблемами в результате чрезмерной потери жидкости во время спортивных соревнований, таких как марафоны, футбольные матчи и т. Д. триатлоны, хотя некоторые из этих мероприятий включают буквально десятки пунктов помощи, предлагающих воду, спортивные напитки и энергетические гели (что можно считать жидкости). Любопытство эволюции заключается в том, что такому количеству людей удается обезвоживаться, даже если они обычно знают, что такое обезвоживание. сколько они должны выпить, чтобы достичь максимальной производительности или, по крайней мере, избежать попадания в медицинское учреждение палатка.

Было описано кое-что из физики жидкостей, вероятно, достаточно, чтобы позволить вам выстоять в фундаментальном научном разговоре о свойствах жидкостей. Однако именно в области течения жидкости все становится особенно интересным.

Механика жидкостей - это раздел физики, изучающий динамические свойства жидкостей. В этом разделе, учитывая важность воздуха и других газов в аэронавтике и других областях техники, «жидкость» может относиться как к жидкости, так и к газу - любому веществу, которое равномерно меняет форму в ответ на внешние воздействия. силы. Движение жидкостей можно описать дифференциальными уравнениями, вытекающими из математического анализа. Движение жидкостей, как и движение твердых тел, передает в потоке массу, импульс (масса, умноженная на скорость) и энергию (сила, умноженная на расстояние). Кроме того, движение жидкостей можно описать уравнениями сохранения, такими как уравнения Навье-Стокса.

Одним из способов движения жидкостей, которых нет в твердых телах, является их сдвиг. Это следствие готовности, с которой жидкости можно деформировать. Сдвиг относится к дифференциальным движениям в теле жидкости в результате приложения асимметричных сил. Примером может служить водный канал, в котором наблюдаются водовороты и другие локализованные движения, даже когда вода в целом движется по каналу с фиксированной скоростью в единицах объема в единицу времени. Напряжение сдвига τ (греческая буква тау) жидкости равно градиенту скорости (du / dy), умноженному на динамическую вязкость μ; то есть τ = μ (du / dy).

Другие концепции, связанные с движениями жидкости, включают сопротивление и подъемную силу, которые имеют решающее значение в авиационной технике. Сопротивление - это сила сопротивления, которая имеет две формы: сопротивление поверхности, которое действует только на поверхность движущегося тела. вода (например, кожа пловца) и сопротивление формы, которое связано с общей формой тела, движущегося через жидкость. Об этой силе написано:

F_D = C_DρA (v²/2)

Где C - константа, которая зависит от характера объекта, испытывающего сопротивление, ρ - плотность, A - площадь поперечного сечения, а v - скорость. Точно так же подъемная сила, которая представляет собой результирующую силу, действующую перпендикулярно направлению движения жидкости, описывается выражением:

F_L = C_LρA (v²/2)

Около 60 процентов от общего веса вашего тела состоит из воды. Примерно две трети, или 40 процентов вашего общего веса, находится внутри клеток, а другая треть, или 20 процентов вашего веса, находится во внеклеточном пространстве. Водный компонент крови находится в этом внеклеточном пространстве и составляет около четверти всей внеклеточной воды, то есть 5 процентов от общего количества воды в организме. Поскольку около 60 процентов вашей крови на самом деле состоит из плазмы, а остальные 40 процентов - это твердые вещества. (например, эритроцитов), вы можете рассчитать, сколько крови у вас в организме, исходя из масса.

У человека весом 70 кг (154 фунта) около (0,60) (70) = 42 кг воды в теле. Треть будет внеклеточной жидкостью, около 14 кг. Четверть этого должна быть плазма крови - 3,5 кг. Это означает, что общее количество крови в теле этого человека составляет около (3,5 кг / 0,6) = 5,8 кг.