液体

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液体形状能受容器形状影响。
气体、液体、固体(由上而下):不同的分子排列结构。

液体物质的四个基本状态之一(其它状态有固体气体等离子体),没有确定的形状,但有一定体积,具有移动转动等运动性。液体是由经分子间作用力结合在一起的微小振动粒子(例如原子和分子)组成。水是地球上最常见的液体。和气体一样,液体可以流动,可以容纳于各种形状的容器。有些液体不易被压缩,而有些则可以被压缩。和气体不同的是,液体不能扩散布满整个容器,而是有相对固定的密度。液体的一个与众不同的属性是表面张力,它可以导致浸润现象

液体的密度通常接近于固体,而远大于气体。因此,液体和固体都被归为凝聚态物质。另一方面,液体和气体都可以流动,都可被称为流体。虽然液态水在地球上很丰富,但在已知的宇宙中,液态并不是最常见的物态。因为液体的存在需要相对较窄的温度压力范围。宇宙中最常见的物态是气体(如星际云气)和等离子体(如恒星中)。

簡介[编辑]

一箱熱水中加入冷水的熱顯像圖,可以看到熱水和冷水相互的流動

液體是物質的四個基本狀態之一,其它基本狀態為固體氣體電漿體。液體是流體,和固體不同,液體中的分子自由度較高,可以移動。在固體中使分子固定不動的力,在液體中只是暫時性的,因此液體可以流動。

液體和氣體一樣,有流體的特質。液體沒有一定的形狀,會順著容器的外形而改變,若是在密封容器中,容器每個表面都會受到相同的壓力。液體和氣體也有不同之處:氣體一定可以和另一氣體均勻混合,液體則不然,兩種液體(例如水和油)可能無法均勻混合。液體也不會填滿容器中所有的空間,會產生液體本身的表面,除非受到高壓壓縮,液體受壓縮後的體積變化不大,因此液體適用在像水力學的應用中。

液體的粒子結合的非常牢固,但不是剛性結合,粒子之間有一定的自由度可以移動。溫度上升時.分子的振動增加,使得分子之間的距離也會增加。當液體的溫度到達沸點時,分子之間的內聚力消失,因此液體會轉變為氣體(除非出現過熱情形)。當溫度下降時,分子之間的距離減少。當溫度低到凝固點時,分子會排列成一種特殊的形式.稱為結晶,而分子之間的內聚力越來越強,液體會轉變為固體(除非出現過冷情形)。

舉例[编辑]

常温常压下,只有2种元素单质呈液态:。另有4种元素单质熔点略高于室温:(其推測的熔点高于室温)、[1]。室温下为液态的合金包括钠钾合金,易熔化的Galinstan合金英语galinstan,及一些汞合金

常温下呈液体的純物質包括乙醇及许多有机溶剂。液態水在化學及生物學上相當重要,一般認為是生命存在必須的物質。

無機液體包括、許多無機非水溶劑英语Inorganic nonaqueous solvent無機酸

日常會用到的液體中包括許多水溶液,例如家用的漂白水、像是礦物油石油等不同物質的混合物、像蛋黃醬油醋汁英语Vinaigrette乳濁液、像之類的悬浊液,以及像油漆牛奶膠體

許多氣體可以用冷卻的方式液化,產生像液氧液氮液氫液氦液氨等液體,但不是所有氣體都可以在一般大氣壓力下液化,像二氧化碳只能在高於5.1大氣壓力的條件下液化。

一些物质无法归类到三种状态中的一种,它们同时具有类液体和类固体的性质。例如液晶生物膜

應用[编辑]

液体有許多不同的用途,像是潤滑、溶劑及冷卻等。在液壓系統中用液体來傳輸功率。

磨潤學中會研究液体當作潤滑劑時的一些性質,潤滑劑一般是特別選擇的油,在操作溫度英语Operating temperature範圍內有適當的黏度及流動性。因為油類的潤滑性質良好,常用在引擎傳動系統英语Transmission (mechanics)金屬加工以及液壓系統中[2]

許多的液體會用做溶劑,溶解其他液體或固體,形成溶液膠體,可以用在塗料密封剂英语sealant黏合劑上。在工業上常用石腦油丙酮來清除零件及機械上的油類、油脂及焦油。體液是身體中的溶液或悬浊液,其主要成份是水。

表面活性剂常用在肥皂清潔劑中,像乙醇等溶劑常用作抗微生物剂英语antimicrobial,液體也會用在化妝品墨水及液態染料激光器中。液體也用在食品產業中,例如萃取植物油的製程。[3]

液體有比氣體高的熱導率,而且可以流動,因此液體適合用來將熱量從機械元件中移除。熱可以由讓液體流過熱交換器的方式移除,或者是讓液體蒸發,帶走熱量.[4]。水或是乙二醇常用在引擎的散熱系統,避免引擎過熱[5]。核反應爐中用散熱系統的冷媒包括,以及像等反應溫度下為液態的金屬[6]。液態推進劑會形成薄膜,冷卻火箭的推進室[7]。在机械加工時.水和油用來移除在加工時產生的熱量,若不移除熱量,工件及刀具會快速的因高熱受損。在流汗時,汗液中的水蒸發,帶走皮膚的熱量。在暖通空調(HVAC)中,常用水或其他液體作為工質,將熱量由一處帶到另一處。[8]

液體是液壓系統中的重要元件,利用帕斯卡定律傳遞液压动力英语fluid power。像泵浦水車機械從古代就開始使用,可以將液體的運動和機械功之間進行轉換。液壓泵浦英语hydraulic pump會對液壓油施力,將力傳遞到液壓缸中。在許多應用中都會用到液壓系統,例如車輛煞車及傳動,工程作業車輛飛機的控制系統。液壓沖床英语hydraulic press用在許多不同的應用中,包括生產製造、沖製工件、夾具及成形。[9]

液體有時也用在量測設備中,像溫度計就是利用液體(例如)的熱膨脹特性,以及可以流動的特性量測溫度。压力计英语manometer是利用液體的重量來量測氣壓[10]

力学性质[编辑]

体积[编辑]

液体的量通常用体积度量。体积單位包括國際單位制的單位立方公尺(m3)以及其衍生單位,較常用的是也可以稱為公升的立方公寸(1 dm3 = 1 L = 0.001 m3),以及也可以稱為毫升的立方公分(1 cm3 = 1 mL = 0.001 L = 10−6 m3)。

一的定量液体的体积由其温度和压强决定。一般情况下,液体热胀冷缩,但水在0-4 °C时则相反。液体的压缩率很小,例如使水的密度增加1/1000需要200巴压强。在流体动力学的研究中,特別是在研究不可壓縮流時,通常将液体视为不可压缩的。

压力和浮力[编辑]

引力场(也叫重力场)中,液体对容器壁和任何液体中的物体产生压强。这一压强指向各个方向,并随深度增加而增加。在均匀的引力场中,静止的液体在深度z处的压强p为:

p=\rho g z\,

这里

\rho\,为液体在该温度下的密度(假设为常数)
g\,重力加速度

需要注意的是此公式假设自由表面处的压强为0,并且忽略了表面张力的影响。

浸入液体的物体受到浮力的作用。(在其他的流体中也有浮力作用,但由于液体密度大而特别显著。)

表面[编辑]

水面上的表面波

除非液体的体积与密闭容器相等,液体会产生一个表面。液体表面像一层弹性膜,表面张力在其上产生,液滴和气泡也由此产生。表面波毛细现象浸润,表面张力波的形成也都与表面张力相关。

流動[编辑]

液體會受到剪應力及拉伸應力變形,而所產生的阻力則以黏度量度,換言之,黏力越低(黏滯係數低)的液體,具越佳流動性。 當液體過冷,向玻璃态轉化時,黏度會急速上升,該液體會成為黏彈性媒介,並具有固體的彈性及液體的流動性,而這個現象取決於觀察的時間及擾動的頻率。

声音传播[编辑]

在液体中,仅有的非零刚度是体积变形(液体不能保持剪切力)。因此,声音在液体中的传播速度为 c = \sqrt {K/\rho},这里K是流体的体积模量ρ是密度。比如纯净水中的音速为c=1497m/s(在25℃时)。

熱力學[编辑]

相變[编辑]

典型的相圖,點線是說明的異常特性,綠線說明凝固點和壓力的關係,藍線說明凝固點和壓力的關係變化,紅線表示可能出現昇華凝華的條件

當液體位於一個低於沸點的溫度時,液體中的成份會蒸發,而氣體的成份也會凝結,直到兩者平衡為止,也就是氣體凝結的速率等於液體蒸發的速率。因此若將一液體蒸發後的蒸氣持續移除,液體最後一定會完全蒸發。若液體的溫度到達沸點時,其蒸發的速率會比凝結的速度要快,溫度到達或超過沸點的液體多半會沸騰,但有時會有液體溫度超過沸點,但不會沸騰的情形,稱為過熱

若液體的溫度低於凝固點時,液體會開始結晶,轉變為固體。這和液體轉變為氣體不同,在定壓下沒有相變化的平衡,因此只要沒有出現過冷現象,液體最後會完全轉變為固體。

或减一般能使液体气化,成为气体,例如将加温成水蒸气。加压或降温一般能使液体固化,成为固体,例如将减温成。然而,仅加压并不能使所有气体液化,如,氦等。

太空中的液體[编辑]

在相圖中,液態只出現在壓力超過一定值的條件下,這也說明為何太空或其他真空中不會有液體。因為其壓力為零(除非在行星或恆星的大氣層或是內部),水或其他液態的物質在太空中會依其溫度不同,可以會沸騰或是凝固。在靠近地球的太空中,若太陽沒有照射到,太空中的水會結冰,若太陽有照射到,水就會沸騰汽化。在土星軌道附近的太空,因為太陽光太弱,無法使太空中的冰昇華,像土星的土星環即為一例。

溶液[编辑]

兩液體之間可能會無法混溶,像義大利沙拉醬英语Italian dressing中的植物油即為一例。像水和乙醇就可以混溶,也就是可以以任意比例混合成溶液。若要將溶液等混合物中的各成份分離,需要透過分餾的技術。

微觀性質[编辑]

靜態結構係數[编辑]

典型單原子液體的結構,原子會和許多鄰近的原子接觸,但沒有长程的有序性

在液體中,原子不會形成晶格,也沒有任何长程的有序性,這可以從X射線繞射中子衍射技術沒有布拉格尖峰看出。在正常情形下,其繞射的訊號會有圓周的對稱性,表示液體的各向同性,在徑向的衍射強度會有輕微的振盪,可以用靜態結構因子英语Structure factorS(q)描述,其中q為波數q=(4π/λ)sinθ,由光子或中子的波長λ和布拉格角θ計算而得。S(q)的振盪表示液體中的「鄰近度」,也就是和原子最近的一群原子其距離多遠,和原子第二近的一群原子其距離多遠……。

更直觀的說明方式是徑向分布函數g(r),基本上是S(q)傅里叶变换,是液體某一時刻對關聯的空間平均值。

蘭納-瓊斯勢流體的徑向分布函數

聲音的散射和結構的弛豫[编辑]

上述音速的公式c = \sqrt {K/\rho}中包括體積模量 K。若K不隨頻率變化,則液體為线性介质英语linear medium,因此聲音的傳播不會耗散,也不會需要模式耦合英语mode coupling。實際上,液體都會有少許的声频散英语Acoustic dispersion:隨著頻率增加,K由低頻類似液態的K_0轉變為高頻,類似固態的K_\infty。許多的液體,其切換都出現在GHz到THz的範圍之間,有時稱為过音频(hypersound)。

一般液體在GHz以下的頻率中不會有剪應力:因此低頻的剪切模量G_0=0,有時這也視為是液體的基本性質[11][12]。不過就像體積模量K一樣,剪切模量G也會隨頻率變化,在过音频也會出現類似的現象,由類似液態的G_0變為類似固態,不為0的G_\infty

參見[编辑]

固體融化液體氣化氣體


固體凝固液體液化氣體

參考資料[编辑]

  1. ^ Theodore Gray, The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe New York: Workman Publishing, 2009 p.127 ISBN 1-57912-814-9
  2. ^ Theo Mang; Wilfried Dresel. Lubricants and Lubrication. John Wiley & Sons. 27 February 2007. ISBN 978-3-527-61033-4. 
  3. ^ George Wypych. Handbook of Solvents. ChemTec Publishing. 2001: 847–. ISBN 978-1-895198-24-9. 
  4. ^ N. B. Vargaftik Handbook of thermal conductivity of liquids and gases CRC Press 1994 ISBN 0-8493-9345-0
  5. ^ Jack Erjavec Automotive technology: a systems approach Delmar Learning 2000 p. 309 ISBN 1-4018-4831-1
  6. ^ Gerald WendtThe prospects of nuclear power and technology D. Van Nostrand Company 1957 p. 266
  7. ^ Modern engineering for design of liquid-propellant rocket engines by Dieter K. Huzel, David H. Huang – American Institute of Aeronautics and Astronautics 1992 p. 99 ISBN 1-56347-013-6
  8. ^ Thomas E Mull HVAC principles and applications manual McGraw-Hill 1997 ISBN 0-07-044451-X
  9. ^ R. Keith Mobley Fluid power dynamics Butterworth-Heinemann 2000 p. vii ISBN 0-7506-7174-2
  10. ^ Bela G. Liptak Instrument engineers' handbook: process control CRC Press 1999 p. 807 ISBN 0-8493-1081-4
  11. ^ Born, Max. On the stability of crystal lattices. Mathematical Proceedings (Cambridge Philosophical Society). 1940, 36 (2): 160–172. doi:10.1017/S0305004100017138. 
  12. ^ Born, Max. Thermodynamics of Crystals and Melting. Journal of Chemical Physics. 1939, 7 (8): 591–604. doi:10.1063/1.1750497. 

參考書目[编辑]

  • J. P. Hansen, I. R. Mcdonald: Theory of simple Liquids. Elsevier Academic Press, 2006, ISBN 978-0-12-370535-8
  • M. P. Allen, D.J. Tildesly: Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, 1989, ISBN 0-19-855645-4

相關條目[编辑]