Kvapalina je jedným zo štyroch stavov hmoty, ostatnými sú tuhá látka, plyn a plazma. Štúdium fyziky spojenej s tekutinami predstavuje prekvapivo veľkú oblasť. Ale keď si uvedomíte, koľko z vášho života závisí od vody pretekajúcej potrubím alebo od člnov, ktoré sú schopné plávať v oceáne alebo dokonca aby váš lievancový sirup mohol správne vytekať z nádoby, je ľahké pochopiť, prečo je štúdium a porozumenie tekutinám dôležité.
Stavy hmoty
Existujú štyri hlavné skupenstvá hmoty: pevný stav, kvapalný stav, plynný stav a plazma. Hmota sa môže meniť z jedného stavu do druhého v závislosti od podmienok tlaku a teploty.
V pevný, sú molekuly materiálu pevne spojené a materiál drží svoj tvar. V tekutý, molekuly sú menej pevne spojené a schopné kĺzať alebo pretekať okolo seba. V plyn, sa molekuly navzájom oddeľujú. Plyn vždy naplní nádobu, v ktorej sa nachádza, a môže sa ľahko rozpínať a sťahovať, zatiaľ čo kvapaliny a tuhé látky nemôžu (alebo aspoň nie v rovnakom rozsahu). plazma je stav hmoty, ktorý nastáva, keď sa plyn zahreje do tej miery, že sa stane ionizovaným.
Keď plyn kondenzuje a molekuly sa dostatočne priblížia, aby sa navzájom ovplyvňovali a priľnuli, premení sa na kvapalnú formu. To zvyčajne vyžaduje chladenie, ktoré odoberá energiu zo systému.
Keď sa niečo v tuhej forme roztopí, stane sa z toho tekutina. To zvyčajne vyžaduje vykurovanie, ktoré dodáva systému energiu. Keď sa teplota materiálu zvyšuje, zvyšuje sa molekulárny pohyb a prekonáva medzimolekulové sily, ktoré sa snažia molekuly držať pevne pohromade.
Definícia kvapaliny
Ako už bolo spomenuté, kvapalina je skupenstvo hmoty. Nestlačiteľnosť tekutín znamená, že majú a pevný objem (určitý objem) a nijako významne sa nerozširujte ani nezužujte, ako by to mohol plyn.
V kvapaline sú molekuly navzájom slabo spojené kohéznymi silami a môžu voľne prúdiť okolo seba. Kvapaliny majú tvar spodnej časti akejkoľvek nádoby, v ktorej sú, a neudržiavajú určitý tvar ako pevné látky.
Kvapaliny sa často kategorizujú ako a tekutina, čo je širšia značka aplikovaná na kvapaliny aj na plyny. Kvapalina je látka, ktorá môže prúdiť a mnohé z fyzikálnych zákonov, ktoré platia pre prúdenie kvapaliny, platia aj pre prúdenie plynov.
Príklady tekutín
Príklady tekutín nájdete všade okolo seba. Tou, ktorú pravdepodobne najviac poznáte, je voda, pretože je potrebná na celý život a pokrýva asi 71 percent zemského povrchu. Pretože voda je pri štandardných teplotách na Zemi v tekutej forme, predpokladá sa, že to bol dôvod, prečo tu mohol vzniknúť a prosperovať život.
Existuje samozrejme veľa ďalších látok, ktoré sú pri izbovej teplote tekuté, vrátane alkoholu, benzínu alebo dokonca ortuti.
Medzi látky, ktoré existujú v tekutej forme iba pri oveľa chladnejších teplotách, patrí acetylén, oxid uhličitý, metán a tekutý dusík. Medzi látky, ktoré existujú v tekutej forme iba pri oveľa vyšších teplotách, patrí hliník a mnoho ďalších kovov, uhlík, porcelán a piesok.
Tekutý kryštál je skupenstvo hmoty medzi kvapalinou a tuhou látkou. Niektoré látky majú v zásade dve rôzne teploty topenia: jednu, v ktorej sa stávajú tekutým kryštálom, a druhú vyššiu teplotu, v ktorej sa stávajú bežnou tekutinou. Tekuté kryštály môžu prúdiť ako kvapalina, ale môžu tiež vykazovať symetriu typicky spojenú s kryštalickými pevnými látkami. Tekuté kryštály sa používajú na displejoch hodiniek, kalkulačkách a televízoroch.
Tlak v kvapaline
Tlak je mierou sily na jednotku plochy. V tekutej látke sa všetky tekuté molekuly tlačia proti sebe a vytvárajú vnútorný tlak. Môžete si predstaviť, že aj steny nádoby pocítia túto silu na jednotku plochy, a ak by ste vypichli otvor, tlak by vytlačil kvapalinu von.
Tlak v kvapaline je tiež dôvod, prečo ste schopní plávať v bazéne. Pridružená sila pôsobí proti gravitácii.
Hodnota tlaku v kvapaline závisí od hustoty a hĺbky kvapaliny. Vzťah je nasledovný:
Kde P je tlak, ρ je hustota, d je hĺbka a g je gravitačné zrýchlenie.
Skutočnosť, že tlak rastie s hĺbkou, je dôvod, prečo musia byť potápači opatrní. Musia nechať svoje telá aklimatizovať sa na zvýšenie a zníženie tlaku, aby sa zabránilo zraneniu.
Pokiaľ ide o kvapalinu v potrubí, rozdiely v tlaku pozdĺž potrubia spôsobia jej tok. Je to tak preto, lebo tlak je v podstate sila a nevyvážená sila spôsobuje zmenu pohybu.
Archimedov princíp
Ako pravdepodobne viete, niektoré objekty plávajú a niektoré objekty sa potápajú, dokonca aj tie, ktoré sa potápajú, majú tendenciu postupovať pomaly. To nám hovorí, že musí existovať sila, ktorou kvapalina pôsobí, ktorá pôsobí proti gravitácii. Táto sila sa nazýva vztlaková sila. Archimedov princíp popisuje vztlaková sila v kvapaline, teda sile, ktorá spôsobuje vznášanie predmetov.
Archimedes uvádza hodnotu vztlakovej sily veľmi jednoducho: Rovná sa hmotnosti kvapaliny vytlačenej ponoreným predmetom. Táto hmotnosť sa dá ľahko vypočítať ako súčin objemu ponoreného predmetu (alebo časti predmetu), hustoty kvapaliny ag gravitačného zrýchlenia.
Pretože gravitačná sila na objekt je súčinom jeho hmotnosti ag a jeho hmotnosť sa rovná produkt jeho objemu a hustoty, je ľahké vidieť, že na to, aby plávali, musia byť predmety menej husté ako voda.
Viskozita a kvapaliny
Ďalšou vlastnosťou kvapalín je viskozita. Viskozita je mierka toho, aká je kvapalina tenká alebo hustá alebo aký je jej odpor voči tečeniu alebo voči predmetom, ktoré cez ňu prechádzajú. Keby ste porovnali napríklad sirup s vodou, všimli by ste si, že voda sa leje rýchlejšie a rýchlejšie ako hustý sirup. Je to tak preto, lebo sirup má vyššiu viskozitu. Hovorí sa, že je viskóznejší.
Viskozita je spôsobená trením medzi molekulami vo vrstvách prúdiacej tekutiny. Čím väčšie je trenie, tým vyššia je viskozita. Medzi faktory, ktoré určujú viskozitu kvapaliny, patrí teplota a molekulárny tvar.