Šķidrums: kas tas ir, īpašības, spiediens, viskozitāte un piemēri
Šķidrums ir vielas forma. Tas ir starp cietu vielu un gāzi. Šķidrumam ir gandrīz nemainīgs tilpums, bet nav noteiktas formas — tas pielāgojas trauka iekšpagalmai. Katrs neliels spēks liek šķidrumam mainīt formu, plūstot, tāpēc gravitācijas spēka dēļ šķidrumi vienmēr iegūst trauka formu. Šķidrumu veidojošās molekulas var brīvi kustēties savā starpā, bet ir pietiekami cieši saistītas, lai saglabātu noteiktu tilpumu.
Galvenās īpašības
- Nemainīgs tilpums: pie normāliem apstākļiem šķidrumu ir grūti saspiest, jo molekulas ir cieši izvietotas; tas nozīmē zemu saspiežamību (mazu kompresibilitāti).
- Bez noteiktas formas: šķidrums pieņem trauka formu, kurā tas atrodas, un parasti veido brīvu virsmu, kuru nosaka gravitācija un virsmas spraigums.
- Virsmas spraigums un kapilaritāte: molekulārie kohēzijas un adhēzijas spēki rada virsmas spraigumu, kas izraisa menisku un kapilāros efektus (piem., šķidruma celšanos caur šauriem traukiem).
- Temperatūras ietekme: temperatūras izmaiņas maina šķidruma blīvumu un viskozitāti — parasti ar sasilšanu blīvums nedaudz samazinās, bet viskozitāte samazinās krietnāk.
Spiediens šķidrumā (hidrostatiskais spiediens)
Šķidrumā spiediens pieaug ar dziļumu, jo šķidrumā augšpusē atrodas šķidruma slānis, kas spiež uz apakšu. Pamata vienādojums, ko izmanto, lai aprēķinātu šo spiedienu, ir:
p = ρgz
kur z ir punkta dziļums zem virsmas (m), g ir šķidruma smaguma spēks vai gravitācijas paātrinājums (parasti ~9,81 m/s²), un ρ ir šķidruma blīvums (kg/m³). Spiediens p tiek izteikts paskālos (Pa), kur 1 Pa = 1 N/m².
Bieži lieto arī formu, kurā iekļauts atmosfēras spiediens p0 pie virsmas:
p = p0 + ρ g h
Šī atšķirība starp absolūto un relatīvo (gabarītu) spiedienu ir svarīga praktiskos aprēķinos (piem., dziļumā zem ūdens). Svarīgs princips — Pasčāla likums — nosaka, ka spiediena izmaiņas, kas radušās šķidrumā slēgtā traukā, tiek vienmērīgi pārnestas visos šķidruma punktos.
Archimēda spēks (uzspiedes spēks)
Ķermenim, kas iegremdēts šķidrumā, uz to darbojas uzspiedes spēks (peldspēks), kas vienāds ar šķidruma izstumtā tilpuma svaru:
F_b = ρ g V_izm
Šis princips izskaidro, kāpēc daži priekšmeti pelda vai grimst atkarībā no to blīvuma salīdzinājumā ar šķidruma blīvumu.
Viskozitāte un plūsmas režīmi
Viskozitāte ir šķidruma iekšējā pretestība plūsmai. To mēra kā dinamisko viskozitāti μ (SI vienība Pa·s) vai kā kinematisko viskozitāti ν = μ/ρ (m²/s). Daži faktiski piemēri:
- Ūdens (20 °C): μ ≈ 1·10⁻³ Pa·s.
- Asinis: aptuveni 3–4·10⁻³ Pa·s (atkarīgs no sastāva un ātruma).
- Medus vai sīrups: daudzkārt lielāka viskozitāte — šķidrums plūst daudz lēnāk.
Plūsma var būt laminarā (slāņveida) vai turbulenta. Pāreju nosaka bezdimensiju Reīnoldsa (Re) skaitlis:
Re = ρ v L / μ
kur v ir raksturīgais ātrums un L — raksturīgais garums. Zems Re nozīmē laminaru plūsmu, augsts — turbulentu.
Piemēri, lietojumi un praktiskas īpašības
- Ikdiena: ūdens, eļļas, asinis — visplašāk sastopamie šķidrumi. Ūdens īpašības (liela siltumietilpība, šķīdība) padara to par svarīgu dzīvē un industrijā.
- Rūpniecība: šķidrumi kā jebkura hidrauliskā sistēma (bremzes, pacēlāji), dzesēšana, šķīdumu transportēšana caur cauruļvadiem.
- Ķīmija un medicīna: šķīdumi, asins plūsma, laboratorijas paraugi un šķīdinātāji.
Citi svarīgi fakti
- Kaut arī šķidrumi ir praktiski nesteidzas saspiežami, tie tomēr ir nedaudz kompresibli — īpaši gaisam piesārņotos šķidrumos vai pie ļoti lieliem spiedieniem.
- Daži šķidrumi ir neņemtie (non-Newtonas šķidrumi) — to viskozitāte mainās atkarībā no stresa vai deformācijas ātruma (piemēri: želejas, pastas, dažas suspendētās cietvielas).
- Temperatūra, sāļu koncentrācija un spiediens ietekmē blīvumu — piemēram, sāļš jūras ūdens ir blīvāks nekā saldūdens.
Īsi sakot, šķidrums ir vielas stāvoklis ar noteiktu tilpumu, mainīgu formu un raksturīgām īpašībām, kā spiediens, viskozitāte, virsmas spraigums un izturība pret plūsmu. Praktiskā izpratnē to uzvedību nosaka molekulārie spēki, blīvums, temperatūra un ārtējie spēki (gravitācija, spiediens).
Šķidruma piemēri ir ūdens, eļļas un asinis.
Šķidrumā šķidrums, kas atrodas augšpusē, spiež uz šķidrumu, kas atrodas apakšā, tāpēc apakšā spiediens p ir lielāks nekā augšpusē. Vienādojums, lai to aprēķinātu, ir šāds:
p = ρgz
kur z ir punkta dziļums zem virsmas, bet g ir šķidruma smaguma spēks. ρ ir skaitlis, kas norāda, cik smags ir noteikts šķidruma daudzums. Mēs to saucam par blīvumu, un visiem šķidrumiem tas ir atšķirīgs.
Ūdens ir šķidrums
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir šķidrums?
Atbilde: Šķidrums ir vielas forma, kas atrodas starp cietu vielu un gāzi. Tas ir gandrīz ciets pēc tilpuma, bet tam nav cietas formas, un tā molekulas var brīvi kustēties viena ar otru.
J: Kā smagums ietekmē šķidrumus?
A: Gravitācijas spēks liek šķidrumiem pieņemt tvertnes formu, jo katrs neliels spēks liek tiem mainīt formu, plūstot.
J: Kas ir viskozitāte?
A: Ar viskozitāti mēra, cik lēni vai ātri plūst šķidrumi. Šķidrumi ar augstu viskozitāti, piemēram, darva, var šķist cietā stāvoklī.
J: Vai šķidrumu var izspiest?
A: Nē, šķidrumu ir grūti izspiest.
J: Kādā temperatūrā šķidrums kļūst ciets?
A: Ja šķidrumu atdzesē zem tā kušanas vai sasalšanas punkta (kas ir atkarīgs no šķidruma veida), tas kļūst ciets.
J: Kādā temperatūrā šķidrums kļūst par gāzi?
A: Kad šķidrumu uzkarsē virs tā viršanas punkta, tas kļūst par gāzi.
J: Kā aprēķināt šķidrumu spiedienu?
A: Spiedienu šķidrumos var aprēķināt, izmantojot vienādojumu p = ρgz, kur z ir punkta dziļums zem virsmas, g ir šķidruma smaguma spēks, bet ρ ir blīvums, kas norāda, cik smags ir šķidrums.
