Које су особине течности?

Ако би вас неко замолио да дефинишете „течност“, могли бисте почети са својим свакодневним искуством са стварима које знате и које се квалификују као течности и одатле покушати генерализовати. Вода је, наравно, најважнија и најприсутнија течност на Земљи; једна ствар по којој се разликује је то што нема дефинитиван облик, већ се прилагођава облику било чега што га садржи, било да је ово напрстак или масивна депресија на планети. Вероватно повезујете „течност“ са „текућом“, као што је речна струја или растопљени лед који тече низ стену.

Идеја „Знате течност кад је видите“, међутим, има своја ограничења. Вода је очигледно течност, као и сода. Али шта је са млечним шејком, који се шири преко било које површине на коју се сипа, али спорије од воде или соде. А ако је млечни шејк течност, шта кажете на сладолед који се управо топи? Или сам сладолед? Иначе, физичари су корисно израдили формалне дефиниције течности, заједно са друга два стања материје.

Материја може постојати у једном од три стања: као чврста супстанца, течност или гас. Можда ћете видети људе који користе „течност“ и „течност“ наизменично у свакодневном језику, попут „Пијте пуно течности када вежбате по врућем времену“ и „Важно је уносити пуно течности током трчања на маратону. Али формално, течно стање материје и стање гаса заједно чине течности. Течност је све оно што нема способност да се одупре деформацијама. Иако нису све течности течности, физичке једначине које регулишу течности универзално се примењују на течности као и на гасове. Према томе, било који математички проблем који треба да решите који укључује течности може се решити коришћењем једначина које регулишу динамику флуида и кинетику.

Чврсте материје, течности и гасови су направљени од микроскопских честица, при чему понашање сваког од њих одређује резултујуће стање материје. У чврстом материјалу, честице су чврсто набијене, обично у правилном обрасцу; ове честице вибрирају или „померају се“, али се генерално не померају са места на место. У гасу су честице добро одвојене и немају редован распоред; они вибрирају и крећу се слободно великом брзином. Честице у течности су близу једна другој, мада нису тако чврсто упаковане као у чврстим делима. Те честице немају правилан распоред и у том погледу подсећају на гасове него на чврсте материје. Честице вибрирају, крећу се и клизе једна поред друге.

И гасови и течности попримају облик било којих контејнера које заузимају, а својства чврсте материје немају. Плинови, јер обично имају толико простора између честица, лако се сабијају механичким силама. Течности се не сабијају лако, а чврсте материје се и даље лакше сабијају. И гасови и течности, који се, као што је горе наведено, заједно називају течности, лако теку; чврсте материје не.

Прво, течности имају кинематичка својства, или својства која се односе на кретање течности, попут брзине и убрзања. Чврста тела такође имају таква својства, али једначине које се користе за њихов опис су различите. Друго, течности имају термодинамичка својства, који описују термодинамичко стање течности. Ови укључују:

• температура
  
• притиска
  
• густина
  
• унутрашња енергија
  
• специфична ентропија
  
• специфична енталпија
  
• други

Овде ће бити детаљно објашњено само неколико њих. Коначно, течности имају низ различитих својстава која не спадају ни у једну од друге две категорије (нпр. Вискозност, мера трења течности; површински напон; и притисак паре).

Две течности које су најважније у стварном свету су вода и ваздух. Уобичајене врсте течности поред воде укључују уље, бензин, керозин, раствараче и пића. Многе течности које се најчешће сусрећу, укључујући горива и раствараче, су отровне, запаљиве или на други начин опасне, што их чини опасним за имају у кући, јер ако их се деца докопају, могу их збунити течном водом и конзумирати, што доводи до страшних здравствених ванредних ситуација.

Људско тело, а заправо готово читав живот, претежно је вода. Крв се не сматра течношћу, јер чврсте супстанце у крви нису равномерно распршене или су у њој потпуно растворене. Уместо тога, сматра се суспензијом. Компонента плазме у крви се у већини сврха може сматрати течношћу. Без обзира на то, одржавање течности је од виталног значаја за свакодневни живот. У већини ситуација људи не размишљају о томе колико су течне пијаће течности пресудне за преживљавање, јер у савременом свету ретко нема спреман приступ чистој води. Али људи рутински упадају у физичке проблеме као резултат прекомерних губитака течности током спортских такмичења попут маратона, фудбалских утакмица и триатлони, иако неки од ових догађаја укључују буквално десетине помоћних станица које нуде воду, спортска пића и енергетске гелове (што би се могло сматрати течности). Куриозитет је еволуције да толико људи успе да се дехидрира чак иако то обично зна колико морају попити да би постигли врхунске перформансе или бар избегли завршавање у медицини шатор.

Описане су неке физике течности, вероватно довољно да вам омогуће да се држите у основном научном разговору о својствима течности. Међутим, у подручју протока течности ствари постају посебно занимљиве.

Механика флуида је грана физике која проучава динамичка својства течности. У овом одељку, због важности ваздуха и других гасова у ваздухопловству и другим инжењерским областима, „течност“ се може односити на течност или гас - било коју супстанцу која равномерно мења облик као одговор на спољашње снаге. Кретање течности може се окарактерисати диференцијалним једначинама, које потичу из рачуна. Кретање течности, попут кретања чврстих тела, преноси у проток масу, импулс (маса помножена са брзином) и енергију (сила помножена са растојањем). Поред тога, кретање течности може се описати једначинама очувања, попут Навиер-Стокесових једначина.

Један од начина на који се течности крећу, а чврсте материје су испољавање смицања. То је последица спремности са којом се течности могу деформисати. Шишање се односи на диференцијалне покрете унутар тела течности као резултат примене асиметричних сила. Пример је водени канал који показује вртлоге и друга локализована кретања, чак и када се вода као целина креће кроз канал фиксном брзином у смислу запремине у јединици времена. Смични напон τ (грчко слово тау) течности једнак је градијенту брзине (ду / ди) помноженом са динамичком вискозношћу μ; односно τ = μ (ду / ди).

Остали концепти који се односе на кретање течности укључују вучу и подизање, а оба су кључна у ваздухопловном инжењерству. Отпор је отпорна сила која постоји у два облика: Површински отпор који делује на само површину тела која се креће воде (нпр. кожа пливача) и формирају отпор, што је повезано са укупним обликом тела које се креће кроз течност. Ова сила је написана:

Ф_Д. = Ц._Д.ρА (в²/2)

Где је Ц константа која зависи од природе предмета који трпи отпор, ρ је густина, А је површина попречног пресека и в је брзина. Слично томе, подизање, односно нето сила која делује окомито на смер кретања течности, описује се изразом:

Ф_Л = Ц._ЛρА (в²/2)

Отприлике 60 процената укупне тежине вашег тела састоји се од воде. Отприлике две трећине овога, или 40 процената ваше укупне тежине, налази се унутар ћелија, док се друга трећина, односно 20 процената ваше тежине, налази у оном што се назива ванћелијски простор. Водена компонента крви налази се у овом ванћелијском простору и на њу отпада око четвртине ванћелијске воде, тј. 5 процената укупног броја тела. Будући да се око 60 процената ваше крви заправо састоји од плазме, док је осталих 40 процената чврстих супстанци (нпр. црвених крвних зрнаца), можете израчунати колико крви имате у телу на основу своје тежина.

Особа од 70 кг (154 килограма) у свом телу има око (0,60) (70) = 42 кг воде. Једна трећина би била ванћелијска течност, око 14 кг. Четвртина од тога била би крвна плазма - 3,5 кг. То значи да укупна количина крви у телу ове особе тежи око (3,5 кг / 0,6) = 5,8 кг.