Які властивості рідини?

Якщо хтось попросив вас визначити поняття "рідина", ви можете почати зі свого повсякденного досвіду з речей, які ви знаєте, які кваліфікуються як рідини, і спробувати узагальнити звідти. Вода, звичайно, є найважливішою і всюдисущою рідиною на Землі; одне, що відрізняє його, - це те, що він не має певної форми, а натомість відповідає формі того, що його містить, будь то наперсток або масивна депресія на планеті. Ви, мабуть, пов'язуєте "рідина" з "течією", наприклад річковою течією, або розтопленим льодом, що стікає по борту скелі.

Однак ідея "Ви знаєте рідину, коли її бачите" має свої межі. Вода, очевидно, рідина, як і сода. Але як щодо молочного коктейлю, який поширюється на будь-яку поверхню, на яку виливається, але повільніше, ніж вода або сода. І якщо молочний коктейль - це рідина, то як щодо морозива, яке ось-ось розплавиться? Або саме морозиво? Буває, що фізики корисно склали офіційні визначення рідини разом з двома іншими станами речовини.

Матерія може існувати в одному з трьох станів: у вигляді твердої речовини, рідини або газу. Ви можете побачити людей, які вживають слова "рідина" та "рідина" як взаємозамінні повсякденною мовою, наприклад, "Пийте багато рідини під час тренувань у спекотну погоду" та "Важливо вживати багато рідини під час бігу марафону". Але формально рідкий стан речовини та газовий стан речовини разом складають рідини. Рідина - це все, що не має здатності протистояти деформації. Хоча не всі рідини є рідинами, фізичні рівняння, що регулюють рідини, застосовуються універсально як до рідин, так і до газів. Отже, будь-яку математичну задачу, яку вам пропонується вирішити, яка стосується рідин, можна розробити, використовуючи рівняння, що регулюють динаміку та кінетику рідини.

Тверді речовини, рідини та гази складаються з мікроскопічних частинок, поведінка кожної з яких визначає результуючий стан речовини. У твердому тілі частинки щільно упаковані, як правило, регулярно; ці частинки вібрують, або "хитаються", але загалом не рухаються з місця на місце. У газі частинки добре відокремлюються і не мають регулярного розташування; вони вібрують і вільно рухаються зі значною швидкістю. Частинки в рідині знаходяться близько один до одного, хоча і не так щільно упаковані, як у твердих речовинах. Ці частинки не мають регулярного розташування і нагадують у цьому відношенні гази, а не тверді речовини. Частинки вібрують, рухаються і ковзають одна біля одної.

І гази, і рідини приймають форму будь-яких контейнерів, які вони займають, властивості твердих речовин не мають. Гази, оскільки в них зазвичай так багато місця між частинками, легко стискаються механічними силами. Рідини не легко стискаються, а тверді речовини все ще менш легко стискаються. Як гази, так і рідини, які, як зазначено вище, разом називаються рідинами, легко течуть; твердих речовин немає.

По-перше, рідини мають кінематичні властивості, або властивості, пов’язані з рухом рідини, такі як швидкість та прискорення. Тверді речовини, звичайно, також мають такі властивості, але рівняння, що використовуються для їх опису, різні. По-друге, рідини мають термодинамічні властивості, які описують термодинамічний стан рідини. До них належать:

• температури
  
• тиску
  
• щільність
  
• внутрішня енергія
  
• специфічна ентропія
  
• специфічна ентальпія
  
• інші

Тут описано лише деякі з них. Нарешті, рідини мають ряд різних властивостей, які не підпадають під жодну з двох інших категорій (наприклад, в’язкість, міра тертя рідини; поверхневе натягнення; і тиск пари).

Дві рідини, які найбільше цікавлять реальний світ, - це вода та повітря. До звичайних типів рідин, крім води, належать нафта, бензин, гас, розчинники та напої. Багато найчастіше зустрічаються рідини, включаючи паливо та розчинники, є отруйними, легкозаймистими або небезпечними в іншому випадку, що робить їх небезпечними для мати вдома, бо якщо діти до них доберуться, вони можуть сплутати їх з питною рідиною та споживати, що призведе до надзвичайних надзвичайних ситуацій для здоров’я.

Тіло людини, а насправді майже все життя, є переважно водою. Кров не вважається рідиною, оскільки тверді речовини в крові не рівномірно розподілені по ній або повністю розчинені в ній. Натомість це вважається призупиненням. Плазмовий компонент крові для більшості цілей можна розглядати як рідину. Незалежно від того, підтримка рідини життєво необхідна для повсякденного життя. У більшості ситуацій люди не замислюються над тим, наскільки питні рідини є критично важливими для виживання, оскільки в сучасному світі рідко буває відсутність готового доступу до чистої води. Але люди регулярно потрапляють у фізичні неприємності в результаті надмірних втрат рідини під час спортивних змагань, таких як марафони, футбольні ігри та триатлони, хоча деякі з цих заходів включають буквально десятки пунктів допомоги, що пропонують воду, спортивні напої та енергетичні гелі (що можна розглянути рідини). Цікаво, що у еволюції так багато людей встигають зневоднитися, навіть звичайно знаючи скільки вони повинні випити, щоб досягти найвищої продуктивності або принаймні уникнути закінчення в лікарні намет.

Деякі з фізик рідин були описані, мабуть, достатньо, щоб дозволити вам дотримуватись основних наукових розмов про властивості рідини. Однак саме в районі потоку рідини речі стають особливо цікавими.

Механіка рідин - розділ фізики, який вивчає динамічні властивості рідин. У цьому розділі, через важливість повітря та інших газів у повітроплаванні та інших галузях техніки, "рідина" може означати рідину або газ - будь-яку речовину, яка рівномірно змінює форму у відповідь на зовнішню сили. Рух рідин можна охарактеризувати диференціальними рівняннями, які походять із числення. Рух рідин, подібно до руху твердих тіл, передає в потоці масу, імпульс (масу, помножену на швидкість) та енергію (силу, помножену на відстань). Крім того, рух рідин можна описати рівняннями збереження, такими як рівняння Нав'є-Стокса.

Одним із способів переміщення рідин, а не твердих речовин є те, що вони демонструють зсув. Це наслідок готовності рідин до деформації. Зсув стосується диференціальних рухів у тілі рідини в результаті застосування асиметричних сил. Прикладом є канал води, який демонструє вихори та інші локалізовані рухи, навіть коли вода в цілому рухається по каналу з фіксованою швидкістю з точки зору об'єму в одиницю часу. Напруга зсуву τ (грецька буква тау) рідини дорівнює градієнту швидкості (du / dy), помноженому на динамічну в'язкість μ; тобто τ = μ (du / dy).

Інші поняття, пов’язані з рухами рідини, включають перетягування та підйом, які обоє мають вирішальне значення в авіаційній техніці. Опір - це резистивна сила, яка буває двох форм: Поверхневий опір, який діє лише на поверхню тіла, що рухається води (наприклад, шкіра плавця) і утворюють опору, що пов’язано із загальною формою тіла, що рухається рідина. Ця сила записана:

F_D = С_DρA (с²/2)

Де C - константа, яка залежить від природи об'єкта, що зазнає опору, ρ - щільність, A - площа поперечного перерізу і v - швидкість. Подібним чином підйом, який є чистою силою, що діє перпендикулярно напрямку руху рідини, описується виразом:

F_L = С_LρA (с²/2)

Близько 60 відсотків загальної ваги вашого тіла складається з води. Приблизно дві третини цього, або 40 відсотків вашої загальної ваги, знаходяться всередині клітин, тоді як інша третина, або 20 відсотків вашої ваги, знаходиться в позаклітинному просторі. Водна складова крові знаходиться в цьому позаклітинному просторі і становить приблизно четверту частину всієї позаклітинної води, тобто 5 відсотків від загальної кількості організму. Оскільки близько 60 відсотків крові насправді складається з плазми, тоді як інші 40 відсотків - це тверді речовини (наприклад, еритроцитів), ви можете розрахувати, скільки крові у вас в організмі, виходячи з вашої вага.

У тіла 70-кг (154 фунтів) близько (0,60) (70) = 42 кг води. Третина становила б позаклітинну рідину, близько 14 кг. Четвертою частиною цього була б плазма крові - 3,5 кг. Це означає, що загальна кількість крові в організмі цієї людини важить приблизно (3,5 кг / 0,6) = 5,8 кг.