Vilka är egenskaperna hos vätska?

Om någon bad dig att definiera "flytande" kan du börja med din vardagliga upplevelse med saker du vet som kvalificerar som vätskor och försöker generalisera därifrån. Vatten är naturligtvis den viktigaste och mest förekommande vätskan på jorden. en sak som skiljer den ut är att den inte har någon bestämd form, utan istället överensstämmer med formen på vad som helst som innehåller den, vare sig det är en fingerborg eller en massiv fördjupning på planeten. Du associerar antagligen "flytande" med "flytande", såsom en flodström, eller smält is som rinner nerför en klippas sida.

Denna "Du känner en vätska när du ser en" -idé har dock sina gränser. Vatten är helt klart en vätska, liksom läsk. Men hur är det med en milkshake, som sprider sig över alla ytor som den hälls på, men långsammare än vatten eller läsk. Och om en milkshake är en vätska, vad sägs om glass som precis ska smälta? Eller glass själv? När det händer har fysiker hjälpsamt tagit fram formella definitioner av en vätska, tillsammans med de andra två tillstånden av materia.

Materia kan finnas i ett av tre tillstånd: Som ett fast ämne, en vätska eller en gas. Du kan se människor som använder "flytande" och "vätska" omväxlande i vardagsspråket, till exempel "Drick mycket vätska när du tränar i varmt väder" och "Det är viktigt att konsumera mycket vätska när man kör ett maraton." Men formellt utgör materiens flytande tillstånd och gasens tillstånd vätskor. En vätska är allt som saknar förmågan att motstå deformation. Även om inte alla vätskor är vätskor, gäller de fysiska ekvationerna som reglerar vätskor universellt såväl vätskor som gaser. Därför kan alla matematiska problem som du uppmanas att lösa som involverar vätskor bearbetas med hjälp av ekvationerna som styr vätskedynamik och kinetik.

Torrsubstanser, vätskor och gaser är gjorda av mikroskopiska partiklar, varvid beteendet hos var och en bestämmer det resulterande tillståndet hos materien. I ett fast ämne är partiklarna tätt packade, vanligtvis i ett vanligt mönster; dessa partiklar vibrerar eller "jigglar", men rör sig i allmänhet inte från plats till plats. I en gas är partiklarna väl separerade och har inget regelbundet arrangemang; de vibrerar och rör sig fritt i betydande hastigheter. Partiklar i en vätska ligger nära varandra, men inte så tätt packade som i fasta ämnen. Dessa partiklar har inget regelbundet arrangemang och liknar gaser snarare än fasta ämnen i detta avseende. Partiklarna vibrerar, rör sig omkring och glider förbi varandra.

Både gaser och vätskor antar formen på vilka behållare de upptar, en fast egendom har inte. Gaser, eftersom de normalt har så mycket utrymme mellan partiklar, komprimeras lätt av mekaniska krafter. Vätskor komprimeras inte lätt, och fasta ämnen komprimeras fortfarande mindre lätt. Både gaser och vätskor, som som nämnts ovan kallas tillsammans vätskor, flyter lätt; fasta ämnen inte.

Först har vätskor kinematiska egenskaper, eller egenskaper relaterade till vätskerörelse, såsom hastighet och acceleration. Fastämnen har naturligtvis också sådana egenskaper, men ekvationerna som används för att beskriva dem är olika. För det andra har vätskor termodynamiska egenskaper, som beskriver ett vätskas termodynamiska tillstånd. Dessa inkluderar:

• temperatur
  
• tryck
  
• densitet
  
• inre energi
  
• specifik entropi
  
• specifik entalpi
  
• andra

Endast ett fåtal av dessa kommer att beskrivas här. Slutligen har vätskor ett antal diverse egenskaper som inte faller inom någon av de andra två kategorierna (t.ex. viskositet, ett mått på vätskans friktion; ytspänning; och ångtryck).

De två vätskorna av stort intresse i den verkliga världen är vatten och luft. Vanliga typer av vätskor förutom vatten inkluderar olja, bensin, fotogen, lösningsmedel och drycker. Många av de vanligaste vätskorna, inklusive bränslen och lösningsmedel, är giftiga, brandfarliga eller på annat sätt farliga, vilket gör dem farliga för har i hemmet för om barn får tag i dem kan de förväxla dem med drickbara vätskor och konsumera dem, vilket kan leda till allvarliga nödsituationer.

Människokroppen, och i själva verket nästan allt liv, är övervägande vatten. Blod anses inte vara en vätska, eftersom de fasta ämnena i blodet inte är jämnt spridda genom eller helt upplösta i det. I stället betraktas det som ett upphävande. Plasmakomponenten i blod kan betraktas som en vätska för de flesta ändamål. Oavsett, vätskeunderhåll är viktigt för vardagen. I de flesta situationer tänker människor inte på hur kritiska drickbara vätskor är för att överleva, för i den moderna världen är det sällsynt att inte ha tillgång till rent vatten. Men människor får rutinmässigt fysiska problem på grund av alltför stora vätskeförluster under sporttävlingar som maraton, fotbollsspel och triathlon, även om några av dessa evenemang bokstavligen innehåller dussintals hjälpstationer som erbjuder vatten, sportdrycker och energigeler (som kan övervägas vätskor). Det är en nyfikenhet på evolutionen att så många människor lyckas bli uttorkade även om de vanligtvis vet hur mycket de måste dricka för att uppnå bästa prestanda eller åtminstone undvika att hamna i medicinen tält.

En del av vätskans fysik har beskrivits, förmodligen tillräckligt för att du ska kunna hålla dig i en grundläggande vetenskaplig konversation om flytande egenskaper. Det är dock inom vätskeflödet där saker blir särskilt intressanta.

Vätskemekanik är den gren av fysiken som studerar vätskans dynamiska egenskaper. I detta avsnitt, på grund av luftens och andra gasers betydelse inom flygteknik och andra tekniska områden, "vätska" kan hänvisa till antingen en vätska eller en gas - vilket ämne som helst som ändrar form enhetligt som svar på yttre krafter. Vätskans rörelse kan karakteriseras av differentiella ekvationer, som härrör från kalkyl. Flytande av vätskor, som rörelse av fasta ämnen, överför massa, momentum (massa gånger hastighet) och energi (kraft multiplicerat med avstånd) i flödet. Dessutom kan vätskans rörelse beskrivas med bevarandeekvationer, såsom Navier-Stokes-ekvationerna.

Ett sätt på vilket vätskor rör sig som fasta ämnen inte är att de uppvisar skjuvning. Detta är en följd av beredskapen med vilken vätskor kan deformeras. Klippning avser differentiella rörelser i en vätskekropp som ett resultat av appliceringen av asymmetriska krafter. Ett exempel är en vattenkanal som uppvisar virvlar och andra lokaliserade rörelser även när vattnet som helhet rör sig genom kanalen med en fast hastighet i termer av volym per tidsenhet. Skjuvspänningen τ (den grekiska bokstaven tau) för en vätska är lika med hastighetsgradienten (du / dy) multiplicerad med den dynamiska viskositeten μ; det vill säga τ = μ (du / dy).

Andra begrepp relaterade till flytande rörelser inkluderar drag och lyft, som båda är avgörande inom flygteknik. Drag är en resistiv kraft som finns i två former: Surface drag, som verkar bara på ytan av en kropp som rör sig genom vatten (t.ex. en simmars hud) och bildar drag, vilket har att göra med kroppens övergripande form som rör sig genom vätska. Denna kraft är skriven:

F_D = C_DρA (v²/2)

Där C är en konstant som beror på naturen hos objektet som upplever drag, är ρ densitet, A är tvärsnittsarea och v är hastighet. På liknande sätt beskrivs lyft, som är en nettokraft som verkar vinkelrätt mot vätskans rörelse, med uttrycket:

F_L = C_LρA (v²/2)

Cirka 60 procent av kroppens totala vikt består av vatten. Ungefär två tredjedelar av detta, eller 40 procent av din totala vikt, är inuti celler, medan den andra tredjedelen, eller 20 procent av din vikt, finns i det som kallas det extracellulära utrymmet. Vattenkomponenten i blodet finns i detta extracellulära utrymme och står för ungefär en fjärdedel av allt extracellulärt vatten, dvs. 5 procent av kroppens totala. Eftersom cirka 60 procent av ditt blod faktiskt består av plasma medan de andra 40 procent är fasta ämnen (t.ex. röda blodkroppar), kan du beräkna hur mycket blod du har i kroppen baserat på din vikt.

En person på 70 kg (154 pund) har cirka (0,60) (70) = 42 kg vatten i kroppen. En tredjedel skulle vara extracellulär vätska, cirka 14 kg. En fjärdedel av detta skulle vara blodplasma - 3,5 kg. Detta innebär att den totala mängden blod i denna persons kropp väger cirka (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.