Какви са свойствата на течността?

Ако някой ви помоли да определите „течност“, може да започнете с ежедневния си опит с неща, които знаете, че се квалифицират като течности и се опитате да се генерализирате от там. Водата, разбира се, е най-важната и повсеместна течност на Земята; едно нещо, което го отличава е, че той няма определена форма, вместо това да съответства на формата на всичко, което го съдържа, било то напръстник или масивна депресия на планетата. Вероятно свързвате „течността“ с „течаща“, като речен ток или разтопен лед, течащ отстрани на скала.

Тази идея „Знаеш ли течност, когато видиш една“ идея обаче има своите граници. Водата очевидно е течност, както и содата. Но какво да кажем за млечен шейк, който се разпростира върху всяка повърхност, върху която се излива, но по-бавно от водата или содата. И ако един млечен шейк е течност, тогава какво ще кажете за сладолед, който тъкмо ще се разтопи? Или самият сладолед? Както се случва, физиците полезно са създали официални дефиниции на течност, заедно с другите две състояния на материята.

Какви са различните състояния на въпроса?

Материята може да съществува в едно от трите състояния: Като твърдо вещество, течност или газ. Може да видите хора, които използват „течност“ и „течност“ взаимозаменяемо в ежедневния език, като „Пийте много течности, когато тренирате в горещо време“ и „Важно е да консумирате много течности, когато бягате маратон“. Но формално течното състояние на веществото и газовото състояние на материята заедно съставляват течности. Течността е всичко, което няма способност да се съпротивлява на деформацията. Въпреки че не всички течности са течности, физическите уравнения, управляващи течностите, се прилагат универсално за течности, както и за газове. Следователно, всеки математически проблем, който трябва да разрешите, който включва течности, може да се изработи, като се използват уравненията, управляващи динамиката и кинетиката на течността.

Твърди вещества, течности и газове са направени от микроскопични частици, като поведението на всеки определя резултиращото състояние на материята. В твърдо вещество частиците са плътно опаковани, обикновено в редовен модел; тези частици вибрират или „се клатят“, но като цяло не се движат от място на място. В газ частиците са добре разделени и нямат редовно подреждане; те вибрират и се движат свободно със значителна скорост. Частиците в течност са близо една до друга, макар и не толкова плътно опаковани, колкото в твърди частици. Тези частици нямат правилно разположение и приличат на газове, а не на твърди вещества в това отношение. Частиците вибрират, движат се и се плъзгат покрай една друга.

И газовете, и течностите приемат формата на каквито и да са контейнери, които не притежават. Газовете, тъй като обикновено имат толкова много място между частиците, лесно се компресират от механични сили. Течностите не се компресират лесно, а твърдите вещества все още се компресират по-малко. Както газовете, така и течностите, които както е отбелязано по-горе, заедно се наричат ​​течности, текат лесно; твърди вещества не.

Какви са свойствата на течностите?

Течностите, както беше споменато, включват газове и течности и ясно, че свойствата на тези две състояния на материята не са идентични или не би имало смисъл да се прави разлика между тях. За целите на тази дискусия, обаче, "свойства на течностите" се отнася до свойства, споделени от течности и газове, въпреки че можете просто да мислите "течности", докато изследвате материала.

Първо, флуидите имат кинематични свойства или свойства, свързани с движението на течността, като скорост и ускорение. Твърдите вещества също имат такива свойства, но уравненията, използвани за тяхното описание, са различни. Второ, флуидите имат термодинамични свойства, които описват термодинамичното състояние на течност. Те включват температура, налягане, плътност, вътрешна енергия, специфична ентропия, специфична енталпия и други. Само някои от тях ще бъдат подробно описани тук. И накрая, течностите имат редица различни свойства, които не попадат в нито една от другите две категории (например вискозитет, мярка за триене на течността; повърхностно напрежение и налягане на парата).

Вискозитетът е полезен при решаване на физически проблеми, включващи обекти, движещи се по повърхност с течност, разположена между обекта и повърхността. Представете си дървен блок, който се плъзга по гладка, но суха рампа. Сега представете същия сценарий, но с повърхността на рампата, покрита с течност като масло, кленов сироп или обикновена вода. Ясно е, че ако всички останали са еднакви, вискозитетът на течността би повлиял върху скоростта и ускорението на блока, докато се движи надолу по рампата. Вискозитетът обикновено е представен с гръцка буква nu, или ν. Кинематичният или динамичен вискозитет, който е качеството на интерес при проблеми, свързани с движение, като току-що очертаното, се представя с μ, който е редовен вискозитет, разделен на плътност: μ = ν / ρ. Плътността от своя страна е маса на единица обем или m / v. Внимавайте да не объркате гръцките букви със стандартните букви!

Други основни понятия и уравнения на физиката, срещани обикновено в света на течностите, включват налягане (P), което е сила за единица площ; температура (Т), която е мярка за кинетичната енергия на молекулите в течността; маса (m), количеството материя; молекулно тегло (обикновено Mw), което е броят грамове течност в един мол от тази течност (мол е 6.02 × 10 ²³ частици, известен като числото на Avogadro); и специфичен обем, който е реципрочен на плътност или 1 / ρ. Динамичният вискозитет µ може също така да се изрази като маса / (дължина × време).

Като цяло течност, ако има ум, няма да се интересува колко е деформирана; тя не полага никакви усилия да "коригира" промени във формата си. По същите линии, течност не се притеснява колко бързо се деформира; неговата устойчивост на движение зависи от скоростта на деформация. Динамичният вискозитет е показател за това колко течност се съпротивлява на скоростта на деформация. Така че, ако нещо се плъзга по него, както в примера на рампата и блока и течността не успее да „сътрудничи“ (както силно би се случило с кленовия сироп, но това не би станало с растителното масло), има висока стойност на динамичния вискозитет.

Какви са различните видове течности?

Двете течности от основен интерес в реалния свят са вода и въздух. Обичайните видове течности в допълнение към водата включват масло, бензин, керосин, разтворители и напитки. Много от по-често срещаните течности, включително горива и разтворители, са отровни, запалими или по друг начин опасни, което ги прави опасни да има в дома, защото ако децата ги хванат, те могат да ги объркат с питейни течности и да ги консумират, което води до тежки спешни случаи със здравето.

Човешкото тяло, а всъщност почти целият живот, е предимно вода. Кръвта не се счита за течност, тъй като твърдите вещества в кръвта не се разпръскват равномерно навсякъде или напълно се разтварят в нея. Вместо това се счита за окачване. Плазменият компонент на кръвта може да се разглежда като течност за повечето цели. Независимо от това, поддържането на течности е жизненоважно за ежедневието. В повечето ситуации хората не се замислят колко критични са питейните течности за оцеляване, защото в съвременния свят рядко е да няма готов достъп до чиста вода. Но хората рутинно изпадат във физически проблеми в резултат на прекомерни загуби на течности по време на спортни състезания като маратони, футболни игри и триатлони, въпреки че някои от тези събития включват буквално десетки станции за помощ, предлагащи вода, спортни напитки и енергийни гелове (което може да бъде считани за течности). Еволюцията на любопитство е, че толкова много хора успяват да се обезводняват, докато обикновено знаят колко трябва да пият, за да постигнат най-добри резултати или поне да избегнат навиването си в медицинската палатка.

Поток на течности

Описана е част от физиката на течностите, вероятно достатъчно, за да ви позволи да държите своя собствен в основен научен разговор за течните свойства. Въпреки това, той е в областта на потока на течностите, където нещата стават особено интересни.

Механиката на течностите е отрасъл на физиката, който изучава динамичните свойства на флуидите. В този раздел, поради значението на въздуха и други газове в аеронавтиката и други инженерни области, "течност" може да се отнася до течност или газ - всяка субстанция, която се променя форма равномерно в отговор на външни сили. Движението на флуидите може да се характеризира с диференциални уравнения, които произтичат от смятането. Движението на течности, подобно на движението на твърди частици, пренася маса, импулс (маса пъти скорост) и енергия (сила, умножена по разстояние) в потока. В допълнение, движението на флуидите може да се опише от уравнения за запазване, като уравненията на Навие-Стокс.

Един от начините, по които течностите се движат, че твърдите вещества не са, е че те проявяват срязване. Това е следствие от готовността, с която течностите могат да се деформират. Срязването се отнася до диференциални движения в течността в резултат на прилагането на асиметрични сили. Пример за това е канал с вода, който показва вихри и други локализирани движения, дори когато водата като цяло се движи по канала с фиксирана скорост по отношение на обема за единица време. Стресовото напрежение τ (гръцката буква tau) на флуид е равно на градиента на скоростта (du / dy), умножено по динамичния вискозитет μ; тоест τ = μ (du / dy).

Други понятия, свързани с движенията на течностите, включват влачене и повдигане, и двете са от решаващо значение в авиационната техника. Плъзгането е съпротивителна сила, която се предлага в две форми: Повърхностно влачене, което действа само на повърхността на тяло, движещо се през вода (напр. Кожата на плувец) и образуване на влачене, което има общо с общата форма на тяло, движещо се през течността. Тази сила е написана:

F _D = C _D ρA (v 2/2)

Когато C е константа, която зависи от естеството на обекта, изпитващ влачене, ρ е плътност, A е площ на напречно сечение и v е скорост. По същия начин повдигането, което е нетна сила, която действа перпендикулярно на посоката на движение на флуид, се описва с израза:

F _L = C _L ρA (v 2/2)

Течности в човешката физиология

Около 60 процента от общото тегло на тялото ви се състои от вода. Приблизително две трети от това, или 40 процента от общото ви тегло, са вътре в клетките, докато другата трета, или 20 процента от теглото ви, са в това, което се нарича извънклетъчно пространство. Водният компонент на кръвта е в това извънклетъчно пространство и представлява около една четвърт от цялата извънклетъчна вода, т.е. 5 процента от общото количество на тялото. Тъй като около 60 процента от кръвта ви всъщност се състои от плазма, докато останалите 40 процента са твърди вещества (напр. Червени кръвни клетки), можете да изчислите колко кръв имате в тялото си въз основа на теглото си.

Човек от 70 кг (154 килограма) има около (0, 60) (70) = 42 кг вода в тялото си. Една трета би била извънклетъчната течност, около 14 кг. Четвърта част от това би била кръвна плазма - 3, 5 кг. Това означава, че общото количество кръв в тялото на този човек тежи около (3, 5 кг / 0, 6) = 5, 8 кг.