Aké sú vlastnosti kvapaliny?

Ak vás niekto požiada, aby ste definovali „kvapalina“, mohli by ste začať s vašou každodennou skúsenosťou s vecami, o ktorých viete, že sa považujú za kvapaliny, a pokúsiť sa odtiaľ zovšeobecniť. Voda je samozrejme najdôležitejšou a všadeprítomnou tekutinou na Zemi; jedna vec, ktorá ho odlišuje, je to, že nemá žiadny definitívny tvar, ale zodpovedá tvaru toho, čo ho obsahuje, či už ide o náprstok alebo mohutnú depresiu na planéte. „Tekutinu“ si pravdepodobne spájate s „tečúcou“, napríklad s riečnym prúdom, alebo s roztaveným ľadom stekajúcim po boku skaly.

Táto myšlienka „Viete, že vidíte tekutinu, keď vidíte jednu“ má však svoje limity. Voda je jednoznačne tekutina, rovnako ako sóda. Čo však s mliečnym koktailom, ktorý sa rozprestiera na akomkoľvek povrchu, na ktorý sa nalieva, ale pomalšie ako voda alebo sóda. A ak je mliečny kokteil tekutina, čo tak zmrzlina, ktorá sa práve topí? Alebo samotná zmrzlina? Ako sa stalo, fyzici spolu s ďalšími dvoma stavmi hmoty pripravili formálne definície kvapaliny.

Hmota môže existovať v jednom z troch stavov: ako tuhá látka, kvapalina alebo plyn. Môžete vidieť ľudí, ktorí používajú slovo „tekutina“ a „tekutina“ zameniteľné v bežnom jazyku, napríklad „Pite veľa tekutín, keď cvičíte v horúcom počasí“ a „Pri behu na maratóne je dôležité konzumovať veľa tekutín.“ Ale formálne tvoria tekutý stav hmoty a plynný stav hmoty dohromady tekutín. Tekutina je čokoľvek, čo nemá schopnosť odolávať deformácii. Aj keď nie všetky kvapaliny sú kvapaliny, fyzikálne rovnice pre kvapaliny platia univerzálne pre kvapaliny aj pre plyny. Akýkoľvek matematický problém, ktorý sa od vás vyžaduje, aby zahŕňal kvapaliny, je možné vyriešiť pomocou rovníc, ktoré upravujú dynamiku a kinetiku tekutín.

Pevné látky, kvapaliny a plyny sú vyrobené z mikroskopických častíc, pričom správanie každého z nich určuje výsledný stav hmoty. V tuhej látke sú častice pevne zabalené, zvyčajne pravidelným spôsobom; tieto častice vibrujú alebo „vrtia“, ale všeobecne sa nepohybujú z miesta na miesto. V plyne sú častice dobre oddelené a nemajú pravidelné usporiadanie; vibrujú a pohybujú sa voľne pri značných rýchlostiach. Častice v kvapaline sú blízko seba, aj keď nie tak pevne zabalené ako v pevných látkach. Tieto častice nemajú pravidelné usporiadanie a v tomto ohľade pripomínajú skôr plyny ako pevné látky. Častice navzájom vibrujú, pohybujú sa a kĺžu.

Plyny aj kvapaliny nadobúdajú tvar akýchkoľvek obalov, ktoré obsadzujú, vlastnosti pevných látok nemajú. Plyny, pretože majú zvyčajne toľko priestoru medzi časticami, sú ľahko stlačiteľné mechanickými silami. Kvapaliny sa nestlačujú ľahko a pevné látky sa stále menej ľahko lisujú. Plyny aj kvapaliny, ktoré sa, ako je uvedené vyššie, spolu nazývajú kvapaliny, tečú ľahko; tuhé látky nie.

Po prvé, tekutiny majú kinematické vlastnostialebo vlastnosti súvisiace s pohybom kvapaliny, napríklad rýchlosť a zrýchlenie. Takéto vlastnosti majú samozrejme aj pevné látky, ale rovnice použité na ich opis sú rôzne. Po druhé, tekutiny majú termodynamické vlastnosti, ktoré popisujú termodynamický stav kvapaliny. Tie obsahujú:

• teplota
  
• tlak
  
• hustota
  
• vnútorná energia
  
• špecifická entropia
  
• špecifická entalpia
  
• iné

Tu bude podrobne opísaných iba niekoľko z nich. Nakoniec majú kvapaliny množstvo rôznych vlastností, ktoré nespadajú do žiadnej z ďalších dvoch kategórií (napr. Viskozita, miera trenia kvapaliny; povrchové napätie; a tlak pár).

Dvomi tekutinami, ktoré majú v skutočnom svete veľký význam, sú voda a vzduch. Bežné druhy tekutín okrem vody zahŕňajú olej, benzín, petrolej, rozpúšťadlá a nápoje. Mnoho z najčastejšie sa vyskytujúcich kvapalín, vrátane palív a rozpúšťadiel, je jedovatých, horľavých alebo inak nebezpečných, čo ich robí nebezpečnými pre mať v domácnosti, pretože ak sa ich deti chytia, môžu si ich pomýliť s pitnými tekutinami a skonzumovať ich, čo vedie k mimoriadnym zdravotným stavom.

Ľudské telo a vlastne takmer celý život je prevažne voda. Krv sa nepovažuje za kvapalinu, pretože tuhé látky v krvi nie sú v nej rovnomerne rozptýlené alebo v nej úplne rozpustené. Namiesto toho sa to považuje za pozastavenie. Plazmatickú zložku krvi možno na väčšinu účelov považovať za kvapalinu. Bez ohľadu na to je údržba tekutín pre každodenný život nevyhnutná. Vo väčšine situácií ľudia nemyslia na to, aké dôležité sú pitné kvapaliny na prežitie, pretože v modernom svete je zriedkavé nemať ľahký prístup k čistej vode. Ľudia sa však bežne dostávajú do fyzických problémov v dôsledku nadmerných strát tekutín počas športových súťaží, ako sú maratóny, futbalové zápasy a triatlon, aj keď medzi niektoré z týchto podujatí patria doslova desiatky čerpacích staníc ponúkajúcich vodu, športové nápoje a energetické gély (ktoré by sa mohli považovať za kvapaliny). Je kuriozitou evolúcie, že toľko ľudí dokáže dehydratovať, aj keď to obyčajne vedia koľko musia vypiť, aby dosiahli špičkový výkon alebo aby sa aspoň vyhli likvidácii v lekárni stan.

Niektoré z fyziky tekutín boli popísané, pravdepodobne dosť na to, aby vám umožnili udržať si základný vedecký rozhovor o vlastnostiach kvapaliny. Avšak veci sa stávajú obzvlášť zaujímavými v oblasti prúdenia tekutín.

Mechanika tekutín je odvetvie fyziky, ktoré študuje dynamické vlastnosti tekutín. V tejto časti z dôvodu dôležitosti vzduchu a iných plynov v letectve a iných strojárskych odboroch, „kvapalina“ môže znamenať buď kvapalinu, alebo plyn - akúkoľvek látku, ktorá mení tvar rovnomerne v reakcii na vonkajšie sily. Pohyb tekutín možno charakterizovať diferenciálnymi rovnicami, ktoré vychádzajú z počtu. Pohyb tekutín, podobne ako pohyb pevných látok, prenáša v toku hmotu, hybnosť (hmotnosť krát rýchlosť) a energiu (sila vynásobená vzdialenosťou). Okrem toho je možné pohyb tekutín opísať pomocou konzervačných rovníc, ako sú napríklad Navier-Stokesove rovnice.

Jedným zo spôsobov, ako sa tekutiny pohybujú, že tuhé látky nie sú, je to, že vykazujú strih. Je to dôsledok pripravenosti na deformáciu tekutín. Strihanie sa vzťahuje na rozdielne pohyby v telese tekutiny v dôsledku pôsobenia asymetrických síl. Príkladom je kanál vody, ktorý vykazuje víry a iné lokalizované pohyby, aj keď sa voda ako celok pohybuje kanálom pevnou rýchlosťou, pokiaľ ide o objem za jednotku času. Šmykové napätie τ (grécke písmeno tau) kvapaliny sa rovná rýchlostnému gradientu (du / dy) vynásobenému dynamickou viskozitou μ; to znamená τ = μ (du / dy).

Medzi ďalšie koncepty týkajúce sa pohybov tekutín patrí ťahanie a zdvíhanie, ktoré sú v leteckom inžinierstve kľúčové. Odpor je odporová sila, ktorá má dve formy: Povrchový odpor, ktorý pôsobí iba na povrch tela, ktorý sa pohybuje voda (napr. pokožka plavca) a formovanie odporu, čo súvisí s celkovým tvarom tela pohybujúcim sa cez tekutina. Táto sila je napísaná:

F_D = C._DρA (v²/2)

Kde C je konštanta, ktorá závisí od povahy objektu, ktorý zažíva odpor, ρ je hustota, A je plocha prierezu a v je rýchlosť. Podobne je výťah, ktorý je čistou silou, ktorá pôsobí kolmo na smer pohybu kvapaliny, opísaný výrazom:

F_Ľ = C._ĽρA (v²/2)

Asi 60 percent celkovej hmotnosti vášho tela tvorí voda. Zhruba dve tretiny z toho, alebo 40 percent z vašej celkovej hmotnosti, sú vo vnútri buniek, zatiaľ čo druhá tretina, alebo 20 percent z vašej hmotnosti, je v takzvanom extracelulárnom priestore. Vodná zložka krvi je v tomto extracelulárnom priestore a predstavuje asi jednu štvrtinu všetkej extracelulárnej vody, tj. 5 percent z celkového množstva tela. Pretože asi 60 percent vašej krvi v skutočnosti pozostáva z plazmy, zatiaľ čo ďalších 40 percent je tuhá látka (napr. červené krvinky), môžete na základe svojej hodnoty vypočítať, koľko krvi máte v tele váha.

Osoba vážiaca 70 kg má v tele asi (0,60) (70) = 42 kg vody. Jedna tretina by bola extracelulárna tekutina, asi 14 kg. Štvrtou z toho by bola krvná plazma - 3,5 kg. To znamená, že celkové množstvo krvi v tele tejto osoby váži asi (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.