Folyadék: definíció, tulajdonságok, viszkozitás és hidrosztatikai nyomás
Folyadék részletes útmutató: definíció, szerkezeti tulajdonságok, viszkozitás, sűrűség és hidrosztatikai nyomás (p=ρgz) gyakorlati magyarázatokkal, példákkal.
A folyadék az anyag egyik halmazállapota, amely a szilárd és a gáz között helyezkedik el. Jellegzetessége, hogy közel állandó térfogata van, de nincs saját, rögzített alakja: a benne lévő anyag alkalmazkodik a tartóedény formájához.
Alapvető tulajdonságok
A folyadékot alkotó molekulák nagyobb mozgásszabadsággal rendelkeznek, mint a szilárd anyagokban, ezért egymáson elcsúszva képesek áramlani. Minden kis oldalirányú erő hatására a folyadék alakot változtat; a gravitáció miatt a folyadékok egyenletesen kitöltik a tartály alját és felveszik annak alakját.
A folyadékok általános jellemzői:
- Kis compresszibilitás: nehéz őket összenyomni; a nyomás hatására csak kismértékben csökken a térfogatuk (a kompresszibilitást a térfogati rugalmasság, azaz a térfogati bulk modulus jellemzi).
- Áramlás: képesek laminárisan vagy turbulensen áramlani, a viszonyok (sebesség, méret, viszkozitás) függvényében.
- Hőmérsékletfüggés: hűtés hatására megfagyhatnak (olvadáspont/ fagyáspont), melegítésre pedig elpárolognak (forráspont).
Viskozitás
A viszkozitás a folyadék belső súrlódását, áramlásellenállását méri. Egyszerűen: a magas viszkozitású folyadék lassabban áramlik, míg az alacsony viszkozitású gyorsabban. Például a kátrány nagyon nagy viszkozitású lehet, ezért lassan folyik és néha szilárdnak tűnhet; a víz viszont viszonylag alacsony viszkozitású.
A viszkozitásnak több megközelítése van:
- Newtoni folyadékok: ahol a nyírófeszültség arányos a sebességgrádienssel (állandó viszkozitás). Tipikus példák: tiszta víz, híg olajok.
- Nem Newtoni folyadékok: ahol a viszkozitás függ a sebességgrádiens(azaz a nyírás) mértékétől; ilyenek például egyes kenőanyagok, a ketchup, illetve a vér, amely összetétele miatt nem teljesen Newtoni viselkedést mutat.
Egysége: Pa·s (pascal másodperc), ám a gyakorlatban gyakran cP-t (centipoise) használnak.
Hidrosztatikai nyomás
A folyadékokban a felül lévő réteg nyomást fejt ki az alatta lévő rétegre; ezért mélyebben nagyobb a nyomás. Egy egyszerű, homogén folyadékban a nyomás mélység szerinti növekedését a következő egyenlet írja le:
p = ρgz
Ebben z a felszín alatti pont mélysége, g a gravitációs gyorsulás (a Földön közel 9,81 m/s²), és ρ a folyadék sűrűsége (SI-egység: kg/m³). Fontos megkülönböztetni az abszolút és a nyomáskülönbséget: ha a felszínen nem nulla a nyomás (például légköri nyomás), akkor az abszolút nyomás:
p_abs = p_0 + ρgz
ahol p_0 a felszíni nyomás (például a légköri nyomás). Az egyenletből következik néhány fontos jelenség:
- Hidrosztatikai paradoxon: a tartály alján mérhető nyomás a folyadékszint magasságától függ, nem attól, hogy mekkora a folyadék mennyisége vagy milyen alakú a tartály.
- Pascal törvénye: a zárt folyadékban kifejtett nyomásváltozás minden irányban egyenletesen terjed.
- Felárasztás és felhajtóerő: a mélyebb rétegek nagyobb nyomása hozza létre az olyan erőhatásokat, mint az Archimédesz törvénye szerinti felhajtóerő, amely egy testre hat, ha részben vagy teljesen folyadékban van.
A nyomás SI-mértékegysége a pascal (Pa), ahol 1 Pa = 1 N/m².
Egyéb jelenségek és példák
A folyadékoknál fontos szerepet játszik a felületi feszültség, ami a molekulák közötti kohéziós erők következménye, és amely kis méretű rendszerekben (például cseppek, kapillárisok) meghatározó viselkedést eredményez. A kapilláris jelenség miatt a folyadékok képesek felmászni keskeny csövekben.
Példák folyadékokra: víz, olajok, vér. Mindegyiknek eltérő a sűrűsége, viszkozitása és egyéb fizikailag fontos tulajdonságai, ezért különböző alkalmazásokra és vizsgálatokra alkalmasak.
Átmenetek és gyakorlati megjegyzések
Ha egy folyadékot elég hidegre hűtünk, szilárddá válik (olvadáspont/fagyáspont). Ha melegítjük, gázzá alakul (forráspont). Ezek a hőmérsékletek anyagonként különböznek.
Összefoglalva: a folyadékok rugalmasan alkalmazkodnak a környezetükhöz, kevéssé összenyomhatók, mozgékony molekuláik miatt képesek áramlani, viszkozitásuk és sűrűségük határozza meg viselkedésüket, és mélységtől függően hidrosztatikus nyomást fejtenek ki.
A víz egy folyadék
Kérdések és válaszok
K: Mi az a folyadék?
V: A folyadék olyan anyagforma, amely a szilárd és a gáz között helyezkedik el. Térfogatát tekintve majdnem szilárd, de nincs szilárd alakja, és molekulái szabadon mozoghatnak egymással.
K: Hogyan hat a gravitáció a folyadékokra?
V: A gravitáció hatására a folyadékok felveszik a bennük lévő tartály alakját, mert minden kis erő hatására áramlással változtatják alakjukat.
K: Mi a viszkozitás?
V: A viszkozitás azt méri, hogy a folyadékok milyen lassan vagy gyorsan áramlanak. A nagy viszkozitású folyadékok, mint például a kátrány, szilárdnak tűnhetnek.
K: Lehet egy folyadékot összenyomni?
V: Nem, nehéz folyadékot préselni.
K: Milyen hőmérsékleten válik egy folyadék szilárddá?
V: Ha egy folyadékot olvadás- vagy fagyáspontja alá hűtünk (ami a folyadék típusától függően változik), akkor szilárddá válik.
K: Milyen hőmérsékleten válik egy folyadék gázzá?
V: Ha egy folyadékot forráspontja fölé melegítünk, gázzá válik.
K: Hogyan számoljuk ki a folyadékok nyomását?
V: A folyadékok nyomását a p = ρgz egyenlet segítségével lehet kiszámítani, ahol z a felszín alatti pont mélysége, g a folyadék gravitációs ereje, ρ pedig a sűrűség, amely megadja, hogy milyen nehéz a folyadék.
Keres