Рідина - один із чотирьох станів речовини, інші - твердий, газовий і плазмовий. Вивчення фізики, пов’язаної з рідинами, - це напрочуд велика область. Але коли ви враховуєте, скільки вашого життя залежить від води, що тече по трубах, або човнів, здатних плавати в океані, або навіть якщо ваш млинцевий сироп може правильно витікати з контейнера, легко зрозуміти, чому вивчення та розуміння рідин є важливо.
Держави матерії
Існує чотири основних стани речовини: твердий, рідкий, газовий і плазма. Матерія може змінюватися з одного стану в інший залежно від умов тиску та температури.
В твердий, молекули матеріалу міцно зв’язані, і матеріал тримає форму. В рідина, молекули менш щільно зв’язані і здатні ковзати або протікати одна проти одної. В газ, молекули відокремлюються одна від одної. Газ завжди заповнює контейнер, в якому знаходиться, і може легко розширюватися та стискатися, тоді як рідини та тверді речовини не можуть (або, принаймні, не в однаковій мірі). плазма - це стан речовини, який виникає при нагріванні газу до такої міри, що він стає іонізованим.
Коли газ конденсується, і молекули стають досить близькими, щоб впливати одна на одну і злипатися, він переходить у рідку форму. Зазвичай для цього потрібно охолодження, яке виводить енергію з системи.
Коли щось у твердому вигляді плавиться, воно стає рідиною. Зазвичай для цього потрібне нагрівання, яке додає енергії системі. Зі збільшенням температури матеріалу молекулярний рух збільшується і долає міжмолекулярні сили, які намагаються утримувати молекули жорстко разом.
Визначення рідини
Як зазначалося раніше, рідина - це речовина. Нестисливість рідин означає, що вони мають фіксований обсяг (певний об’єм) і не розширюватись і не стискатися суттєво, як газ.
У рідині молекули з’єднуються між собою слабко завдяки когезійним силам і можуть вільно протікати одна проти одної. Рідини приймають форму нижньої частини будь-якого контейнера, в якому вони перебувають, і не підтримують певної форми, як тверді речовини.
Рідини часто відносять до категорії a рідина, що є ширшим маркуванням, що застосовується як до рідин, так і до газів. Рідина - це речовина, яка може текти, і багато законів фізики, що застосовуються до потоку рідини, стосуються і потоку газів.
Приклади рідин
Приклади рідин можна знайти навколо вас. Найбільш відома вам вода - це вода, оскільки вона необхідна для життя і покриває близько 71 відсотка земної поверхні. Оскільки вода знаходиться в рідкому вигляді за стандартних температур на Землі, вважається, що саме тому тут могло сформуватися і процвітати життя.
Звичайно, є багато інших речовин, які є рідкими при кімнатній температурі, включаючи спирт, бензин і навіть ртуть.
Речовини, що існують у рідкій формі лише при значно холодніших температурах, включають ацетилен, вуглекислий газ, метан та рідкий азот. Речовини, які існують у рідкій формі лише при значно вищих температурах, включають алюміній та багато інших металів, вуглець, фарфор та пісок.
Рідкий кристал - це стан речовини між рідиною і твердим. Деякі речовини мають, по суті, дві різні точки плавлення: одна, при якій вони перетворюються в рідкий кристал, і інша вища точка, в якій вони стають звичайною рідиною. Рідкі кристали можуть текти, як рідина, але також демонструють симетрію, типово пов'язану з кристалічними твердими речовинами. Рідкі кристали використовуються на дисплеях годинників, калькуляторів та телевізорів.
Тиск у рідині
Тиск - це міра сили на одиницю площі. У рідкій речовині всі молекули рідини тиснуть одна на одну і створюють внутрішній тиск. Ви можете собі уявити, як стінки ємності відчувають цю силу також на одиницю площі, і якщо вам потрібно було проткнути отвір, тиск змусив би рідину вийти.
Тиск у рідині - це ще й те, чому ви можете плавати у басейні. Пов’язана сила протидіє силі тяжіння.
Значення тиску в рідині залежить від щільності рідини та глибини. Відносини такі:
Де P це тиск, ρ - щільність, d - глибина, і g - це прискорення за рахунок сили тяжіння.
Той факт, що тиск зростає з глибиною, - тому дайвери повинні бути обережними. Вони повинні дозволити своїм тілам адаптуватися до збільшення та зменшення тиску, щоб уникнути травм.
Для рідини в трубі різниця тиску вздовж труби призведе до течії рідини. Це пов’язано з тим, що тиск по суті є силою, а незбалансована сила спричиняє зміну руху.
Принцип Архімеда
Як ви, мабуть, знаєте, деякі предмети плавають, а деякі занурюються, і навіть ті, що занурюються, роблять це повільно. Це говорить нам про те, що рідина повинна застосовувати силу, яка протидіє силі тяжіння. Ця сила називається плавучою силою. Принцип Архімеда описує плавуча сила в рідині, тобто сила, яка змушує предмети плавати.
Архімед дуже просто викладає значення плавучої сили: воно дорівнює вазі рідини, витісненої зануреним об’єктом. Ця вага легко обчислюється як добуток об’єму об’єкта (або частини об’єкта), який занурений у воду, щільності рідини та g - прискорення, спричиненого гравітацією.
Оскільки сила тяжіння на об'єкт є добутком його маси та g, а його маса дорівнює продукту його обсягу та щільності, неважко помітити, що для плавання предмети повинні бути менш щільними, ніж води.
В'язкість та рідини
Ще одна властивість рідин - в’язкість. В'язкість - це міра того, наскільки рідина рідка або густа, або її опір потоку або предметам, що проходять через неї. Якби ви порівняли сироп з водою, наприклад, ви помітили б, що вода ллється швидше і швидше, ніж густий сироп. Це тому, що сироп має вищу в’язкість. Кажуть, що він більш в’язкий.
В'язкість обумовлена тертям між молекулами в шарах текучої рідини. Чим більше тертя, тим більша в'язкість. Фактори, що визначають в'язкість рідини, включають температуру та молекулярну форму.