ของเหลวมีคุณสมบัติอย่างไร?

หากมีคนขอให้คุณนิยามคำว่า "ของเหลว" คุณอาจเริ่มด้วยประสบการณ์ในชีวิตประจำวันกับสิ่งที่คุณรู้ว่ามีคุณสมบัติเป็นของเหลวและพยายามสรุปจากที่นั่น แน่นอนว่าน้ำเป็นของเหลวที่สำคัญและแพร่หลายที่สุดในโลก สิ่งหนึ่งที่ทำให้แตกต่างออกไปก็คือ มันไม่มีรูปร่างที่แน่นอน แทนที่จะสอดคล้องกับรูปร่างของสิ่งใดก็ตามที่มีอยู่ ไม่ว่าจะเป็นปลอกมือหรือความหดหู่มหาศาลในโลก คุณอาจเชื่อมโยง "ของเหลว" กับ "การไหล" เช่น กระแสน้ำในแม่น้ำ หรือน้ำแข็งละลายที่ไหลลงมาตามหิน

อย่างไรก็ตาม แนวคิด "คุณรู้ของเหลวเมื่อคุณเห็น" แนวคิดนี้มีข้อจำกัด น้ำเป็นของเหลวอย่างชัดเจนเช่นเดียวกับโซดา แต่สิ่งที่เกี่ยวกับมิลค์เชคซึ่งกระจายไปทั่วพื้นผิวที่เท แต่ช้ากว่าน้ำหรือโซดา แล้วถ้ามิลค์เชคเป็นของเหลว แล้วไอศกรีมที่กำลังจะละลายล่ะ? หรือไอศกรีมเอง? เมื่อมันเกิดขึ้น นักฟิสิกส์ได้สร้างคำจำกัดความที่เป็นทางการของของเหลวอย่างเป็นประโยชน์ ร่วมกับอีกสองสถานะของสสาร

สสารสามารถอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสามสถานะ: ในรูปของของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ คุณอาจเห็นคนใช้คำว่า "ของเหลว" และ "ของเหลว" สลับกันในภาษาในชีวิตประจำวัน เช่น "ดื่มน้ำมาก ๆ เมื่อคุณออกกำลังกายในสภาพอากาศร้อน" และ "สิ่งสำคัญคือต้องบริโภคของเหลวมาก ๆ เมื่อวิ่งมาราธอน" แต่อย่างเป็นทางการ สถานะของเหลวของสสารและสถานะก๊าซของสสารรวมกัน ของเหลว ของเหลวคือสิ่งที่ขาดความสามารถในการต้านทานการเสียรูป แม้ว่าของไหลไม่ใช่ของเหลวทั้งหมด แต่สมการทางกายภาพที่ควบคุมของไหลนั้นใช้ได้กับของเหลวและก๊าซอย่างทั่วถึง ดังนั้น ปัญหาทางคณิตศาสตร์ใดๆ ที่คุณถูกขอให้แก้ไขที่เกี่ยวข้องกับของเหลว สามารถแก้ไขได้โดยใช้สมการที่ควบคุมไดนามิกของของไหลและจลนศาสตร์

ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ ทำจากอนุภาคขนาดเล็กมาก โดยพฤติกรรมของแต่ละตัวจะกำหนดสถานะผลลัพธ์ของสสาร ในของแข็ง อนุภาคจะแน่น มักจะอยู่ในรูปแบบปกติ อนุภาคเหล่านี้สั่นหรือ "กระตุก" แต่โดยทั่วไปจะไม่เคลื่อนที่จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง ในแก๊ส อนุภาคจะถูกแยกออกจากกันอย่างดีและไม่มีการจัดเรียงตัวตามปกติ พวกมันสั่นและเคลื่อนที่อย่างอิสระด้วยความเร็วพอสมควร อนุภาคในของเหลวอยู่ใกล้กัน แม้ว่าจะไม่ได้แน่นเหมือนในของแข็งก็ตาม อนุภาคเหล่านี้ไม่มีการจัดเรียงตัวปกติและคล้ายกับก๊าซมากกว่าของแข็งในแง่นี้ อนุภาคสั่นสะเทือน เคลื่อนที่ไปมา และเลื่อนผ่านกันและกัน

ทั้งก๊าซและของเหลวจะมีรูปร่างเหมือนภาชนะใดก็ตามที่พวกมันครอบครอง ของแข็งไม่มีคุณสมบัติ ก๊าซเนื่องจากปกติจะมีช่องว่างระหว่างอนุภาคมาก จึงถูกบีบอัดด้วยแรงทางกลได้ง่าย ของเหลวไม่ได้ถูกบีบอัดอย่างง่ายดาย และของแข็งก็ยังถูกบีบอัดได้ง่ายกว่า ทั้งก๊าซและของเหลว ซึ่งตามที่ระบุไว้ข้างต้นเรียกว่าของเหลวรวมกัน ไหลได้ง่าย; ของแข็งไม่ได้

อย่างแรก ของเหลวมี คุณสมบัติทางจลนศาสตร์หรือคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของของไหล เช่น ความเร็วและความเร่ง แน่นอนว่าของแข็งมีคุณสมบัติดังกล่าวเช่นกัน แต่สมการที่ใช้อธิบายนั้นแตกต่างกัน ประการที่สอง ของเหลวมี คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งอธิบายสถานะทางอุณหพลศาสตร์ของของไหล ซึ่งรวมถึง:

• อุณหภูมิ
  
• ความดัน
  
• ความหนาแน่น
  
• กำลังภายใน
  
• เอนโทรปีจำเพาะ
  
• เอนทาลปีจำเพาะ
  
• คนอื่น

จะมีรายละเอียดเพียงไม่กี่รายการเท่านั้น สุดท้าย ของเหลวมีคุณสมบัติเบ็ดเตล็ดจำนวนหนึ่งที่ไม่จัดอยู่ในประเภทใดประเภทหนึ่งที่เหลือ (เช่น ความหนืด การวัดความเสียดทานของของไหล แรงตึงผิว; และความดันไอ)

ของเหลวสองอย่างที่น่าสนใจในโลกแห่งความเป็นจริงคือน้ำและอากาศ ของเหลวทั่วไปนอกเหนือจากน้ำ ได้แก่ น้ำมัน น้ำมันเบนซิน น้ำมันก๊าด ตัวทำละลาย และเครื่องดื่ม ของเหลวที่พบได้ทั่วไปจำนวนมาก รวมทั้งเชื้อเพลิงและตัวทำละลาย เป็นพิษ ติดไฟได้ หรือเป็นอันตรายอย่างอื่น ทำให้เป็นอันตรายต่อ มีในบ้านเพราะถ้าเด็กจับพวกเขาพวกเขาอาจทำให้สับสนกับของเหลวที่ดื่มได้และบริโภคพวกเขานำไปสู่ภาวะฉุกเฉินด้านสุขภาพที่เลวร้าย

ร่างกายมนุษย์และที่จริงแล้วเกือบทั้งชีวิตส่วนใหญ่เป็นน้ำ เลือดไม่ถือว่าเป็นของเหลว เนื่องจากของแข็งในเลือดไม่ได้กระจายตัวทั่วถึงหรือละลายจนหมดในนั้น แต่จะถือว่าเป็นการระงับ ส่วนประกอบของเลือดในพลาสมาถือได้ว่าเป็นของเหลวสำหรับวัตถุประสงค์ส่วนใหญ่ การบำรุงรักษาของเหลวมีความสำคัญต่อชีวิตประจำวัน ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ผู้คนไม่คิดว่าของเหลวที่ดื่มได้มีความสำคัญต่อการอยู่รอดอย่างไร เพราะในโลกสมัยใหม่ เป็นเรื่องยากที่จะไม่มีน้ำสะอาดพร้อมใช้ แต่ผู้คนมักมีปัญหาทางกายภาพอันเป็นผลมาจากการสูญเสียของเหลวมากเกินไปในระหว่างการแข่งขันกีฬา เช่น มาราธอน การแข่งขันฟุตบอล และ ไตรกีฬา แม้ว่าบางกิจกรรมเหล่านี้จะมีสถานีช่วยเหลือหลายสิบแห่งที่ให้บริการน้ำ เครื่องดื่มเกลือแร่ และเจลให้พลังงาน (ซึ่งอาจพิจารณาได้ ของเหลว) เป็นความอยากรู้อยากเห็นของวิวัฒนาการที่คนจำนวนมากสามารถขาดน้ำได้แม้ในขณะที่มักจะรู้ ต้องดื่มเท่าไหร่จึงจะได้ประสิทธิภาพสูงสุดหรืออย่างน้อยก็เลี่ยงไม่เข้าเวรทางการแพทย์ เต็นท์.

มีการอธิบายฟิสิกส์ของของไหลบางส่วนแล้ว ซึ่งน่าจะเพียงพอที่จะช่วยให้คุณเข้าใจในการสนทนาทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติของของเหลวได้ อย่างไรก็ตามมันอยู่ในพื้นที่ของการไหลของของไหลซึ่งสิ่งต่าง ๆ น่าสนใจเป็นพิเศษ

กลศาสตร์ของไหลเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาคุณสมบัติไดนามิกของของไหล ในส่วนนี้ เนื่องจากความสำคัญของอากาศและก๊าซอื่นๆ ในด้านวิชาการบินและวิศวกรรมอื่นๆ "ของเหลว" อาจหมายถึงของเหลวหรือก๊าซ - สารใด ๆ ที่เปลี่ยนรูปร่างอย่างสม่ำเสมอเพื่อตอบสนองต่อภายนอก กองกำลัง. การเคลื่อนที่ของของไหลสามารถจำแนกได้โดยใช้สมการเชิงอนุพันธ์ซึ่งเกิดจากแคลคูลัส การเคลื่อนที่ของของไหล เช่น การเคลื่อนที่ของของแข็ง การถ่ายโอนมวล โมเมนตัม (มวลคูณความเร็ว) และพลังงาน (แรงคูณด้วยระยะทาง) ในการไหล นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของของไหลสามารถอธิบายได้ด้วยสมการการอนุรักษ์ เช่น สมการเนเวียร์-สโตกส์

วิธีหนึ่งที่ของไหลเคลื่อนที่โดยที่ของแข็งไม่มีคือแสดงการเฉือน นี่เป็นผลมาจากความพร้อมในการเปลี่ยนรูปของของไหล การตัดเฉือนหมายถึงการเคลื่อนไหวที่แตกต่างกันภายในร่างกายของของไหลอันเป็นผลมาจากการใช้แรงอสมมาตร ตัวอย่างคือช่องน้ำซึ่งแสดงกระแสน้ำวนและการเคลื่อนไหวอื่นๆ ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น แม้ว่าน้ำโดยรวมจะเคลื่อนผ่านช่องทางดังกล่าวในอัตราคงที่ในแง่ของปริมาตรต่อหน่วยเวลา ความเค้นเฉือน τ (อักษรกรีก เทา) ของของไหลมีค่าเท่ากับการไล่ระดับความเร็ว (du/dy) คูณด้วยความหนืดไดนามิก μ; นั่นคือ τ = μ(du/dy)

แนวคิดอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของของไหล ได้แก่ การลากและการยก ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านวิศวกรรมการบิน การลากเป็นแรงต้านทานที่มาในสองรูปแบบ: การลากพื้นผิวซึ่งกระทำบนพื้นผิวของร่างกายที่เคลื่อนที่ผ่านเท่านั้น น้ำ (เช่น ผิวหนังของนักว่ายน้ำ) และรูปร่างลาก ซึ่งเกี่ยวข้องกับรูปร่างโดยรวมของร่างกายที่เคลื่อนผ่าน ของเหลว แรงนี้เขียนว่า:

F_ดี = C_ดีร(v²/2)

โดยที่ C คือค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของวัตถุที่เกิดการลาก ρ คือความหนาแน่น A คือพื้นที่หน้าตัด และ v คือความเร็ว ในทำนองเดียวกัน แรงยก ซึ่งเป็นแรงสุทธิที่กระทำในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของของไหล ถูกอธิบายโดยนิพจน์ดังนี้

F_หลี่ = C_หลี่ร(v²/2)

ประมาณร้อยละ 60 ของน้ำหนักร่างกายทั้งหมดประกอบด้วยน้ำ ประมาณสองในสามหรือ 40 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักทั้งหมดของคุณอยู่ภายในเซลล์ ในขณะที่อีกสามส่วนหรือ 20 เปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักของคุณอยู่ในสิ่งที่เรียกว่าพื้นที่นอกเซลล์ ส่วนประกอบน้ำของเลือดอยู่ในพื้นที่นอกเซลล์ และคิดเป็นประมาณหนึ่งในสี่ของน้ำนอกเซลล์ทั้งหมด นั่นคือ 5 เปอร์เซ็นต์ของทั้งหมดของร่างกาย เนื่องจากประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ของเลือดของคุณประกอบด้วยพลาสมาจริง ๆ ในขณะที่อีก 40 เปอร์เซ็นต์เป็นของแข็ง (เช่น เซลล์เม็ดเลือดแดง) คุณสามารถคำนวณปริมาณเลือดที่คุณมีในร่างกายโดยอิงจากค่าของคุณ น้ำหนัก.

คนน้ำหนัก 70 กก. (154 ปอนด์) มีน้ำประมาณ (0.60) (70) = 42 กก. ในร่างกายของเธอ หนึ่งในสามจะเป็นของเหลวนอกเซลล์ ประมาณ 14 กก. หนึ่งในสี่ของสิ่งนี้จะเป็นพลาสมาเลือด - 3.5 กก. ซึ่งหมายความว่าปริมาณเลือดทั้งหมดในร่างกายของบุคคลนี้มีน้ำหนักประมาณ (3.5 กก./0.6) = 5.8 กก.