Thể tích

Lượng chất lỏng thường được tính bằng đơn vị thể tích theo đơn vị SI là mét khối (m³), và đơn vị thường được sử dụng là đề-xi-mét khối (dm3), còn gọi là lít (1l=1dm3=0.001m3), và xăng-ti-mét khối (cm3), còn gọi là mi-li-lít (1ml=1 cm3=0.001l=10−6m3).

Thể tích của một lượng chất lỏng được cố định bởi nhiệt độ và áp suất của nó. Chất lỏng thường nở ra khi nóng lên và co lại khi nguội. Nước giữa 0 °C và 4 °C là một ngoại lệ đáng chú ý.[2]

Mặt khác, chất lỏng có khả năng nén rất nhỏ. Ví dụ, nước sẽ chỉ nén 46,4 phần triệu cho mỗi đơn vị tăng áp suất khí quyển (bar).[4] Ở áp suất khoảng 4000 bar (400 megapascal hoặc 58.000 psi) ở nhiệt độ phòng, nước chỉ giảm 11% về thể tích.[5] Tính năng không chịu nén làm cho chất lỏng thích hợp để truyền công suất thủy lực, bởi vì sự thay đổi áp suất tại một điểm trong chất lỏng được truyền đến mọi phần khác của chất lỏng một cách không ảnh hưởng và rất ít năng lượng bị mất dưới dạng nén.[6]

Tuy nhiên, khả năng nén không đáng kể dẫn đến các hiện tượng khác. Tiếng đập của các đường ống, được gọi là búa nước, xảy ra khi một van đóng đột ngột, tạo ra một áp suất cực lớn tại van truyền ngược lại trong hệ thống với vận tốc âm thanh. Một hiện tượng khác gây ra bởi sự không nén được của chất lỏng là sự xâm thực. Bởi vì chất lỏng có độ đàn hồi nhỏ nên theo nghĩa đen, chúng có thể bị kéo ra xa ở những khu vực có độ nhiễu loạn cao hoặc thay đổi hướng đột ngột, chẳng hạn như mép sau của chân vịt thuyền hoặc một góc nhọn trong đường ống. Chất lỏng trong vùng có áp suất thấp (chân không) bốc hơi và tạo thành bong bóng, sau đó sẽ xẹp xuống khi chúng đi vào vùng có áp suất cao. Điều này khiến chất lỏng lấp đầy các hốc do bong bóng để lại với lực cục bộ cực lớn, làm xói mòn bất kỳ bề mặt rắn nào liền kề.[7]

Áp suất và sức nổi

Trong trường hấp dẫn, chất lỏng tạo áp suất lên các mặt của vật chứa cũng như lên bất cứ vật gì bên trong chất lỏng. Áp suất này được truyền theo mọi hướng và tăng theo độ sâu. Nếu chất lỏng nằm yên trong một trọng trường đều, áp suất p {\displaystyle p} ở độ sâu z {\displaystyle z} được đưa ra bởi [8]

p = p 0 + ρ g z {\displaystyle p=p_{0}+\rho gz\,}

trong đó

p 0 {\displaystyle p_{0}\,} là áp suất ở bề mặt ρ {\displaystyle \rho \,} là khối lượng riêng của chất lỏng, giả định là đồng nhất với độ sâu g {\displaystyle g\,} là gia tốc trọng trường

Đối với một vùng nước mở ra không khí, p 0 {\displaystyle p_{0}} sẽ là áp suất khí quyển.

Chất lỏng tĩnh trong trường hấp dẫn đều cũng biểu hiện hiện tượng nổi, khi các vật thể chìm trong chất lỏng chịu một lực thuần do sự thay đổi áp suất theo độ sâu. Độ lớn của lực bằng trọng lượng của chất lỏng bị dịch chuyển bởi vật và hướng của lực phụ thuộc vào khối lượng riêng trung bình của vật ngâm. Nếu khối lượng riêng nhỏ hơn khối lượng riêng của chất lỏng thì lực nổi hướng lên và vật nổi, ngược lại nếu khối lượng riêng lớn hơn thì lực nổi hướng xuống và vật chìm. Đây được gọi là nguyên tắc Archimedes.[9]

Bề mặt

Sóng bề mặt trong nước

Trừ khi thể tích của chất lỏng khớp chính xác với thể tích của vật chứa nó, nếu không sẽ quan sát thấy một hoặc nhiều bề mặt. Sự hiện diện của một bề mặt tạo ra những hiện tượng mới không có trong chất lỏng khối lượng lớn. Điều này là do một phân tử ở bề mặt chỉ sở hữu liên kết với các phân tử chất lỏng khác ở phía bên trong của bề mặt, điều này ngụ ý một lực ròng kéo các phân tử bề mặt vào trong. Một cách tương đương, lực này có thể được mô tả dưới dạng năng lượng: có một lượng năng lượng cố định liên quan đến việc tạo thành một bề mặt của một khu vực nhất định. Đại lượng này là một thuộc tính vật chất được gọi là sức căng bề mặt, tính bằng đơn vị năng lượng trên một đơn vị diện tích (đơn vị SI: J / m 2). Chất lỏng có lực liên phân tử mạnh có xu hướng có sức căng bề mặt lớn hơn.[2]

Một hàm ý thực tế của sức căng bề mặt là chất lỏng có xu hướng giảm thiểu diện tích bề mặt của chúng, tạo thành các giọt và bong bóng hình cầu trừ khi có các ràng buộc khác. Sức căng bề mặt cũng là nguyên nhân của một loạt các hiện tượng khác, bao gồm sóng bề mặt, hoạt động của mao dẫn, thấm ướt và gợn sóng. Trong chất lỏng bị giam giữ ở kích thước nano, các hiệu ứng bề mặt có thể đóng vai trò chi phối vì - so với một mẫu chất lỏng vĩ mô - một phần lớn hơn nhiều phân tử nằm gần bề mặt.

Sức căng bề mặt của chất lỏng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thấm ướt của nó. Hầu hết các chất lỏng thông thường có lực căng nằm trong khoảng hàng chục mJ / m 2, vì vậy các giọt dầu, nước hoặc keo có thể dễ dàng kết hợp và dính vào các bề mặt khác, trong khi các kim loại lỏng như thủy ngân có thể có lực căng lên tới hàng trăm mJ / m 2, do đó các giọt không dễ dàng kết hợp với nhau và bề mặt có thể chỉ ướt trong các điều kiện cụ thể.

Căng thẳng bề mặt của các chất lỏng thông thường chiếm một phạm vi giá trị tương đối hẹp, tương phản mạnh với sự thay đổi rất lớn được thấy trong các đặc tính cơ học khác, chẳng hạn như độ nhớt.[10]

Dẫn lưu

Mô phỏng độ nhớt. Chất lỏng bên trái có độ nhớt và ứng xử Newton thấp hơn trong khi chất lỏng bên phải có độ nhớt cao hơn và đặc tính phi Newton.

Một tính chất vật lý quan trọng đặc trưng cho dòng chảy của chất lỏng là độ nhớt. Một cách trực quan, độ nhớt mô tả khả năng chống dòng chảy của chất lỏng.

Về mặt kỹ thuật hơn, độ nhớt đo lường khả năng chống biến dạng của chất lỏng ở một tốc độ nhất định, chẳng hạn như khi nó bị cắt ở vận tốc hữu hạn.[11] Một ví dụ cụ thể là chất lỏng chảy qua một đường ống: trong trường hợp này chất lỏng trải qua biến dạng cắt vì nó chảy chậm hơn gần thành ống hơn là gần tâm. Kết quả là, nó thể hiện khả năng chống chảy của nhớt. Để duy trì dòng chảy, phải tác dụng một lực bên ngoài, chẳng hạn như sự chênh lệch áp suất giữa các đầu ống.

Độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng.[12][13]

Kiểm soát chính xác độ nhớt rất quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là ngành bôi trơn. Một cách để đạt được sự kiểm soát như vậy là pha trộn hai hoặc nhiều chất lỏng có độ nhớt khác nhau theo tỷ lệ chính xác.[14] Ngoài ra, tồn tại các chất phụ gia khác nhau có thể điều chỉnh sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ nhớt của dầu bôi trơn. Khả năng này rất quan trọng vì máy móc thường hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ (xem thêm chỉ số độ nhớt).[15]

Tính chất nhớt của chất lỏng có thể là Newton hoặc không Newton. Chất lỏng Newton thể hiện một đường cong ứng suất / biến dạng tuyến tính, có nghĩa là độ nhớt của nó không phụ thuộc vào thời gian, tốc độ cắt hoặc lịch sử tốc độ cắt. Ví dụ về chất lỏng Newton bao gồm nước, glycerin, dầu máy, mật ong hoặc thủy ngân. Chất lỏng phi Newton là chất lỏng có độ nhớt không phụ thuộc vào các yếu tố này và đặc (tăng độ nhớt) hoặc loãng (giảm độ nhớt) khi bị cắt. Ví dụ về chất lỏng không phải của Newton bao gồm tương cà, sốt mayonnaise, gel ủ tóc, bột nặn hoặc dung dịch tinh bột.[16]

Độ co giãn khi bị hạn chế

Chất lỏng hạn chế có thể biểu hiện các tính chất cơ học khác so với chất lỏng dạng khối. Ví dụ, chất lỏng bị giam dưới milimét (ví dụ như trong khoảng cách giữa các bức tường cứng) thể hiện phản ứng cơ học giống như chất rắn và có mô đun cắt đàn hồi tần số thấp lớn đáng ngạc nhiên, quy mô theo lũy thừa nghịch đảo của chiều dài giam.[17]

Truyền âm thanh

Tốc độ của âm thanh trong chất lỏng được cho bởi c = K / ρ {\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}} với K {\displaystyle K} là mô đun khối của chất lỏng và ρ {\displaystyle \rho } là tỉ trọng. Ví dụ, nước có môđun khối khoảng 2,2 GPa và mật độ 1000 kg/m 3, cho c = 1,5 km / s.[18]