Если кто-то попросит вас дать определение «жидкость», вы можете начать со своего повседневного опыта с вещами, которые вы знаете как жидкости, и попытаться обобщить их. Вода, конечно, является самой важной и повсеместной жидкостью на Земле; одна вещь, которая выделяет его, состоит в том, что он не имеет определенной формы, а вместо этого соответствует форме того, что содержит его, будь то наперсток или массивная депрессия на планете. Вы, вероятно, ассоциируете «жидкость» с «течением», таким как речное течение или таящий лед, бегущий по склону скалы.

Однако идея «Вы знаете жидкость, когда видите ее» имеет свои пределы. Вода явно жидкая, как и сода. Но как насчет молочного коктейля, который распространяется по любой поверхности, на которую он наливается, но медленнее, чем вода или сода. И если молочный коктейль - жидкость, то как насчет мороженого, которое вот-вот растает? Или само мороженое? Как это происходит, физики помогли создать формальные определения жидкости, наряду с двумя другими состояниями вещества.

Каковы различные состояния материи?

Материя может существовать в одном из трех состояний: как твердое тело, жидкость или газ. Вы можете видеть, как люди используют «жидкость» и «жидкость» взаимозаменяемо на повседневном языке, например: «Пейте много жидкости, когда вы тренируетесь в жаркую погоду» и «Важно потреблять много жидкости во время марафона». Но формально жидкое состояние вещества и газовое состояние вещества вместе составляют жидкости. Жидкость - это все, что лишено способности противостоять деформации. Хотя не все жидкости являются жидкостями, физические уравнения, регулирующие жидкости, применяются повсеместно как к жидкостям, так и к газам. Следовательно, любая математическая задача, которую вам предлагается решить с использованием жидкостей, может быть решена с использованием уравнений, определяющих динамику и кинетику жидкости.

Твердые частицы, жидкости и газы состоят из микроскопических частиц, поведение которых определяет результирующее состояние вещества. В твердом теле частицы плотно упакованы, обычно в правильном порядке; эти частицы вибрируют, или «покачиваются», но в целом не перемещаются с места на место. В газе частицы хорошо отделены и не имеют регулярного расположения; они вибрируют и свободно перемещаются со значительной скоростью Частицы в жидкости находятся близко друг к другу, хотя и не так плотно упакованы, как в твердых веществах. Эти частицы не имеют регулярного расположения и в этом отношении напоминают газы, а не твердые тела. Частицы вибрируют, движутся и скользят мимо друг друга.

Как газы, так и жидкости принимают форму контейнеров, которые они занимают, а свойства твердых тел не имеют. Газы, потому что они обычно имеют так много места между частицами, легко сжимаются механическими силами. Жидкости не легко сжимаются, а твердые тела еще менее легко сжимаются. Как газы, так и жидкости, которые, как отмечалось выше, вместе называются жидкостями, легко текут; твердых веществ нет.

Каковы свойства жидкостей?

Жидкости, как уже упоминалось, включают газы и жидкости, и ясно, что свойства этих двух состояний вещества не идентичны, иначе не было бы смысла проводить различие между ними. Однако в целях этого обсуждения «свойства жидкостей» относятся к свойствам, разделяемым жидкостями и газами, хотя вы можете просто думать о «жидкостях» при изучении материала.

Во-первых, жидкости имеют кинематические свойства или свойства, связанные с движением жидкости, такие как скорость и ускорение. Твердые тела, конечно, тоже имеют такие свойства, но уравнения, используемые для их описания, различны. Во-вторых, жидкости имеют термодинамические свойства, которые описывают термодинамическое состояние жидкости. К ним относятся температура, давление, плотность, внутренняя энергия, удельная энтропия, удельная энтальпия и другие. Только некоторые из них будут подробно описаны здесь. Наконец, жидкости имеют ряд различных свойств, которые не попадают ни в одну из двух других категорий (например, вязкость, мера трения жидкости; поверхностное натяжение и давление пара).

Вязкость полезна при решении физических задач, связанных с объектами, движущимися вдоль поверхности с жидкостью, помещенной между объектом и поверхностью. Представьте себе деревянный блок, скользящий по гладкой, но сухой рампе. Теперь представьте тот же сценарий, но с поверхностью ската, покрытой жидкостью, такой как масло, кленовый сироп или обычная вода. Очевидно, что при прочих равных условиях вязкость жидкости будет влиять на скорость и ускорение блока при его движении вниз по рампе. Вязкость обычно обозначается греческой буквой nu или ν. Кинематическая или динамическая вязкость, представляющая интерес для проблем, связанных с движением, таких как только что описанная, представлена ​​µ, который представляет собой обычную вязкость, деленную на плотность: µ = ν / ρ. Плотность в свою очередь - это масса на единицу объема, или м / об. Будьте осторожны, чтобы не перепутать греческие буквы со стандартными буквами!

Другие основные физические понятия и уравнения, обычно встречающиеся в мире жидкостей, включают давление (P), которое представляет собой силу на единицу площади; температура (Т), которая является мерой кинетической энергии молекул в жидкости; масса (м) количество вещества; молекулярный вес (обычно Mw), который представляет собой количество граммов жидкости в одном моле этой жидкости (моль, составляющий 6,02 × 1023 частиц, известный как число Авогадро); и удельный объем, который является обратной величиной плотности или 1 / ρ. Динамическая вязкость µ также может быть выражена как масса / (длина × время).

В общем, жидкость, если бы она имела разум, не заботилась бы о том, насколько она деформирована; он не прилагает усилий для «исправления» изменений в своей форме. В том же духе жидкость не заботится о том, как быстро она деформируется; его сопротивление движению зависит от скорости деформации. Динамическая вязкость является показателем того, насколько жидкость противостоит скорости деформации. Таким образом, если что-то скользит вдоль него, как в примере с рампой и блоком, и жидкость не может «взаимодействовать» (как это было бы сильно в случае с кленовым сиропом, но не было бы в случае с растительным маслом), оно имеет высокое значение динамической вязкости.

Какие существуют типы жидкостей?

Две жидкости, представляющие большой интерес в реальном мире, - это вода и воздух. Обычные типы жидкостей в дополнение к воде включают масло, бензин, керосин, растворители и напитки. Многие из наиболее часто встречающихся жидкостей, в том числе топливо и растворители, являются ядовитыми, легковоспламеняющимися или иными опасными веществами, что делает их опасными для употребления в домашних условиях, поскольку, если их заполучат дети, они могут перепутать их с питьевыми жидкостями и потреблять их, что приводит к тяжелые чрезвычайные ситуации в области здравоохранения.

Человеческое тело, а на самом деле почти вся жизнь, это преимущественно вода. Кровь не считается жидкостью, потому что твердые вещества в крови не равномерно распределены по всей поверхности или полностью растворены в ней. Вместо этого это считается приостановкой. Плазменный компонент крови можно рассматривать как жидкость для большинства целей. Несмотря на это, жидкое обслуживание жизненно важно для повседневной жизни. В большинстве ситуаций люди не задумываются о том, насколько важны питьевые жидкости для выживания, потому что в современном мире редко бывает не иметь свободного доступа к чистой воде. Но люди обычно сталкиваются с физическими проблемами из-за чрезмерной потери жидкости во время спортивных соревнований, таких как марафоны, футбольные игры и триатлон, хотя некоторые из этих событий включают буквально десятки станций помощи, предлагающих воду, спортивные напитки и энергетические гели (которые могут быть считается жидкости). Любопытно, что эволюции так много людей удается обезвоживать, хотя обычно они знают, сколько они должны выпить, чтобы достичь максимальной производительности или, по крайней мере, избежать попадания в медицинскую палатку.

Поток жидкости

Некоторые из физик жидкостей были описаны, вероятно, достаточно, чтобы вы могли придерживаться основного научного разговора о свойствах жидкости. Тем не менее, именно в области потока жидкости вещи становятся особенно интересными.

Гидромеханика - это раздел физики, который изучает динамические свойства жидкостей. В этом разделе, из-за важности воздуха и других газов в аэронавтике и других областях техники, «жидкость» может относиться либо к жидкости, либо к газу - любому веществу, которое равномерно меняет форму в ответ на внешние силы. Движение жидкостей можно охарактеризовать дифференциальными уравнениями, которые вытекают из исчисления. Движение жидкостей, подобно движению твердых тел, передает массу, импульс (масса, умноженная на скорость) и энергию (силу, умноженную на расстояние) в потоке. Кроме того, движение жидкостей может быть описано уравнениями сохранения, такими как уравнения Навье-Стокса.

Один из способов, которым движутся жидкости, а не твердые, состоит в том, что они проявляют сдвиг. Это является следствием готовности, с которой жидкости могут деформироваться. Сдвиг относится к дифференциальным движениям внутри тела жидкости в результате применения асимметричных сил. Примером является канал воды, который демонстрирует вихри и другие локальные движения, даже когда вода в целом движется через канал с фиксированной скоростью в единицах объема в единицу времени. Напряжение сдвига τ (греческая буква тау) жидкости равно градиенту скорости (du / dy), умноженному на динамическую вязкость μ; то есть τ = μ (du / dy).

Другие понятия, относящиеся к движениям жидкости, включают в себя сопротивление и подъем, которые имеют решающее значение в авиационной технике. Перетаскивание - это сила сопротивления, которая существует в двух формах: поверхностное сопротивление, которое действует только на поверхность тела, движущегося через воду (например, на кожу пловца), и формирование сопротивления, которое связано с общей формой тела. тело движется через жидкость. Эта сила написана:

FD = CDρA (v2 / 2)

Где C - это константа, которая зависит от природы объекта, испытывающего сопротивление, ρ - плотность, A - площадь поперечного сечения, а v - скорость. Аналогично, подъемная сила, которая представляет собой суммарную силу, действующую перпендикулярно направлению движения жидкости, описывается выражением:

FL = CLρA (v2 / 2)

Жидкости в физиологии человека

Около 60 процентов от общего веса вашего тела состоит из воды. Примерно две трети этого, или 40 процентов вашего общего веса, находится внутри клеток, тогда как другая треть, или 20 процентов вашего веса, находится в так называемом внеклеточном пространстве. Водный компонент крови находится в этом внеклеточном пространстве и составляет около четверти всей внеклеточной воды, то есть 5 процентов от общего количества тела. Поскольку около 60 процентов вашей крови на самом деле состоит из плазмы, а остальные 40 процентов - из твердых веществ (например, эритроцитов), вы можете рассчитать, сколько крови у вас в организме, исходя из вашего веса.

Человек весом 70 кг (154 фунтов) имеет в своем организме около (0,60) (70) = 42 кг воды. Одна треть будет внеклеточной жидкости, около 14 кг. Четвертая часть - плазма крови - 3,5 кг. Это означает, что общее количество крови в организме этого человека весит около (3,5 кг / 0,6) = 5,8 кг.