Kakšne so lastnosti tekočine?

Če bi vas kdo prosil, da določite "tekočina", bi lahko začeli z vsakodnevnimi izkušnjami s stvarmi, za katere veste, da spadajo med tekočine, in od tam poskušali posploševati. Voda je seveda najpomembnejša in vseprisotna tekočina na Zemlji; ena stvar, ki jo ločuje, je, da nima točno določene oblike, temveč se prilega obliki, ki jo vsebuje, pa naj bo to napetek ali velika depresija na planetu. Verjetno "tekočino" povezujete s "tekočo", kot je rečni tok ali stopljeni led, ki teče po robu skale.

Ta ideja "Poznaš tekočino, ko jo vidiš" pa ima svoje meje. Voda je očitno tekočina, prav tako soda. Kaj pa mlečni napitek, ki se razprostira na kateri koli površini, na katero se vlije, vendar počasneje kot voda ali soda. In če je mlečni napitek tekočina, kaj pa sladoled, ki se bo kmalu stopil? Ali sam sladoled? Kot se zgodi, so fiziki koristno oblikovali formalne definicije tekočine, skupaj z ostalima dvema snovnima stanji.

Snov lahko obstaja v enem od treh stanj: kot trdna snov, tekočina ali plin. Morda boste videli ljudi, ki v vsakdanjem jeziku med seboj uporabljajo »tekočino« in »tekočino«, na primer: »Pijte veliko tekočine, ko vadite v vročem vremenu« in "Pomembno je, da med tekom maratona zaužijete veliko tekočine." Toda formalno tekoče in plinsko stanje snovi skupaj sestavljata tekočine. Tekočina je vse, čemur se ne more upreti deformacijam. Čeprav niso vse tekočine tekočine, fizikalne enačbe, ki urejajo tekočine, splošno veljajo za tekočine in tudi za pline. Zato lahko vsak matematični problem, ki ga morate rešiti in vključuje tekočine, rešimo z uporabo enačb, ki urejajo dinamiko in kinetiko tekočin.

Trdne snovi, tekočine in plini so narejeni iz mikroskopskih delcev, pri čemer obnašanje vsakega od njih določa nastalo stanje snovi. V trdni snovi so delci tesno zapakirani, običajno v pravilnem vzorcu; ti delci vibrirajo ali se "vrtijo", vendar se na splošno ne premikajo od kraja do kraja. V plinu so delci dobro ločeni in nimajo pravilne razporeditve; vibrirajo in se prosto gibljejo s precejšnjo hitrostjo. Delci v tekočini so tesno skupaj, čeprav niso tako tesno zapakirani kot v trdni snovi. Ti delci nimajo pravilne razporeditve in v tem pogledu bolj spominjajo na pline kot na trdne snovi. Delci vibrirajo, se premikajo in drsijo drug mimo drugega.

Tako plini kot tekočine imajo obliko kakršnih koli posod, ki jih zasedajo, lastnost trdnih snovi pa nima. Plini, ker imajo običajno toliko prostora med delci, jih mehanske sile zlahka stisnejo. Tekočin ni enostavno stisniti, trdne snovi pa je še vedno lažje stisniti. Tako plini kot tekočine, ki jih, kot smo že omenili, skupaj imenujemo tekočine, enostavno tečejo; trdne snovi ne.

Prvič, tekočine imajo kinematične lastnostiali lastnosti, povezane s gibanjem tekočine, kot sta hitrost in pospešek. Takšne lastnosti imajo seveda tudi trdne snovi, vendar so enačbe, ki jih uporabljamo za njihov opis, drugačne. Drugič, tekočine imajo termodinamične lastnosti, ki opisujejo termodinamično stanje tekočine. Tej vključujejo:

• temperatura
  
• pritisk
  
• gostoto
  
• notranja energija
  
• specifična entropija
  
• specifična entalpija
  
• drugi

Tukaj bo podrobno opisanih le nekaj teh. Končno imajo tekočine številne različne lastnosti, ki ne spadajo v nobeno od drugih dveh kategorij (npr. Viskoznost, merilo trenja tekočine; površinska napetost; in parni tlak).

Dve tekočini, ki sta v resničnem svetu najpomembnejši, sta voda in zrak. Pogoste vrste tekočin poleg vode vključujejo olje, bencin, kerozin, topila in pijače. Mnogo najpogostejših tekočin, vključno z gorivi in ​​topili, so strupene, vnetljive ali kako drugače nevarne, zaradi česar so nevarne za imajo v domu, ker jih lahko otroci, če jih dobijo, zamenjajo s pitno tekočino in jih zaužijejo, kar vodi do strašnih zdravstvenih stanj.

Človeško telo in pravzaprav skoraj vse življenje je pretežno voda. Krv se ne šteje za tekočino, ker trdne snovi v krvi niso enakomerno razpršene ali v njej popolnoma raztopljene. Namesto tega se šteje za opustitev. V večini primerov lahko plazemsko komponento krvi obravnavamo kot tekočino. Ne glede na to je vzdrževanje tekočine ključnega pomena za vsakdanje življenje. V večini primerov ljudje ne razmišljajo o tem, kako kritične so pitne tekočine za preživetje, kajti v sodobnem svetu je redko, da nimamo pripravljenega dostopa do čiste vode. Toda ljudje se redno znajdejo v fizičnih težavah zaradi pretirane izgube tekočine med športnimi tekmovanji, kot so maratoni, nogometne tekme in triatloni, čeprav nekateri od teh dogodkov vključujejo dobesedno ducate bencinskih servisov, ki ponujajo vodo, športne pijače in energijske gele (kar bi lahko tekočine). Zanimivost evolucije je, da toliko ljudi uspe dehidrirati, čeprav običajno vedo koliko morajo popiti, da dosežejo vrhunsko zmogljivost ali se vsaj izognejo prenehanju zdravništva šotor.

Opisane so nekatere fizike tekočin, verjetno dovolj, da se lahko obdržite v osnovnem znanstvenem pogovoru o lastnostih tekočin. Stvari pa postanejo še posebej zanimive na področju pretoka tekočine.

Mehanika tekočin je fizika, ki preučuje dinamične lastnosti tekočin. V tem oddelku je zaradi pomembnosti zraka in drugih plinov v aeronavtiki in na drugih inženirskih področjih "Tekočina" se lahko nanaša na tekočino ali plin - katero koli snov, ki se enakomerno spremeni kot odziv na zunanje sile. Gibanje tekočin je lahko označeno z diferencialnimi enačbami, ki izhajajo iz računa. Gibanje tekočin, tako kot gibanje trdnih snovi, v toku prenaša maso, zagon (maso pomnoženo s hitrostjo) in energijo (sila pomnožena z razdaljo). Poleg tega lahko gibanje tekočin opišemo z ohranitvenimi enačbami, kot so Navier-Stokesove enačbe.

Eden od načinov, kako se tekočine premikajo, trdne snovi pa ne, je ta, da kažejo striženje. To je posledica pripravljenosti, s katero se lahko tekočine deformirajo. Striženje se nanaša na diferenčna gibanja v telesu tekočine kot rezultat uporabe asimetričnih sil. Primer je vodni kanal, ki kaže vrtince in druga lokalizirana gibanja, tudi ko se voda kot celota skozi kanal premika s fiksno hitrostjo glede na prostornino na enoto časa. Strižna napetost τ (grška črka tau) tekočine je enaka gradientu hitrosti (du / dy), pomnoženemu z dinamično viskoznostjo μ; to je τ = μ (du / dy).

Drugi koncepti, povezani z gibanjem tekočin, vključujejo vlečenje in dviganje, ki sta oba ključnega pomena v letalskem inženirstvu. Vlečenje je uporovna sila v dveh oblikah: površinski upor, ki deluje samo na površino telesa, ki se premika skozi vode (npr. koža plavalca) in tvorijo upor, ki je povezan s celotno obliko telesa, ki se premika skozi tekočina. Ta sila je zapisana:

F_D = C_DρA (v²/2)

Kjer je C konstanta, ki je odvisna od narave predmeta, ki doživlja upor, je ρ gostota, A površina preseka in v hitrost. Podobno je dvig, ki je neto sila, ki deluje pravokotno na smer gibanja tekočine, opisan z izrazom:

F_L = C_LρA (v²/2)

Približno 60 odstotkov celotne teže vašega telesa sestavlja voda. Približno dve tretjini tega ali 40 odstotkov vaše celotne teže je znotraj celic, medtem ko je druga tretjina ali 20 odstotkov vaše teže v tako imenovanem zunajceličnem prostoru. Vodna komponenta krvi je v tem zunajceličnem prostoru in predstavlja približno četrtino vse zunajcelične vode, to je 5 odstotkov celotnega telesa. Ker približno 60 odstotkov vaše krvi dejansko sestavlja plazma, ostalih 40 odstotkov pa je trdnih snovi (npr. rdečih krvnih celic) lahko na podlagi izračunate, koliko krvi imate v telesu utež.

70-kilogramska oseba ima v telesu približno (0,60) (70) = 42 kg vode. Ena tretjina bi bila zunajcelična tekočina, približno 14 kg. Četrtina tega bi bila krvna plazma - 3,5 kg. To pomeni, da celotna količina krvi v telesu te osebe tehta približno (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.