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。

液体英语:Liquid)是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强范围。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)。

简介[编辑]

一箱热水中加入冷水的热显像图,可以看到热水和冷水相互的流动

液体是物质的四个基本状态之一,其它基本状态为固体气体等离子体。液体是流体,和固体不同,液体中的分子自由度较高,可以移动。在固体中使分子固定不动的力,在液体中只是暂时性的,因此液体可以流动。

液体和气体一样,有流体的特质。液体没有一定的形状,会顺着容器的外形而改变,若是在密封容器中,容器每个表面都会受到相同的压强。液体和气体也有不同之处:气体一定可以和另一气体均匀混合,液体则不然,两种液体(例如水和油)可能无法均匀混合。液体也不会填满容器中所有的空间,会产生液体本身的表面,除非受到高压压缩,液体受压缩后的体积变化不大,因此液体适用在像水力学的应用中。

液体的粒子结合的非常牢固,但不是刚性结合,粒子之间有一定的自由度可以移动。温度上升时.分子的振动增加,使得分子之间的距离也会增加。当液体的温度到达沸点时,分子之间的内聚力消失,因此液体会转变为气体(除非出现过热情形)。当温度下降时,分子之间的距离减少。当温度低到凝固点时,分子会排列成一种特殊的形式.称为结晶,而分子之间的内聚力越来越强,液体会转变为固体(除非出现过冷情形)。

举例[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:(其推测的熔点高于室温)、[1]。室温下为液态的合金包括钠钾合金,易熔化的镓铟锡合金英语galinstan,及一些汞合金

常温下呈液体的纯物质包括乙醇及许多有机溶剂。液态水在化学及生物学上相当重要,一般认为是生命存在必须的物质。

无机液体包括、许多无机非水溶剂英语Inorganic nonaqueous solvent无机酸

日常会用到的液体中包括许多水溶液,例如家用的漂白水、像是矿物油石油等不同物质的混合物、像蛋黄酱油醋汁乳浊液、像之类的悬浊液,以及像油漆牛奶胶体

许多气体可以用冷却的方式液化,产生像液氧液氮液氢液氦液氨等液体,但不是所有气体都可以在一般大气压下液化,像二氧化碳只能在高于5.1大气压的条件下液化。

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

应用[编辑]

液体有许多不同的用途,像是润滑、溶剂及冷却等。在液压系统中用液体来传输功率。

磨润学中会研究液体当作润滑剂时的一些性质,润滑剂一般是特别选择的油,在操作温度英语Operating temperature范围内有适当的黏度及流动性。因为油类的润滑性质良好,常用在引擎传动系统金属加工以及液压系统中[2]

许多的液体会用做溶剂,溶解其他液体或固体,形成溶液胶体,可以用在涂料密封剂英语sealant黏合剂上。在工业上常用石脑油丙酮来清除零件及机械上的油类、油脂及焦油。体液是身体中的溶液或悬浊液,其主要成分是水。

表面活性剂常用在肥皂清洁剂中,像乙醇等溶剂常用作抗微生物剂英语antimicrobial,液体也会用在化妆品墨水及液态染料激光器中。液体也用在食品产业中,例如萃取植物油的制程。[3]

液体有比气体高的热导率,而且可以流动,因此液体适合用来将热量从机械元件中移除。热可以由让液体流过热交换器的方式移除,或者是让液体蒸发,带走热量.[4]。水或是乙二醇常用在引擎的散热系统,避免引擎过热[5]。核反应堆中用散热系统的冷媒包括,以及像等反应温度下为液态的金属[6]。液态推进剂会形成薄膜,冷却火箭的推进室[7]。在机械加工时.水和油用来移除在加工时产生的热量,若不移除热量,工件及刀具会快速的因高热受损。在流汗时,汗液中的水蒸发,带走皮肤的热量。在暖通空调(HVAC)中,常用水或其他液体作为工质,将热量由一处带到另一处。[8]

液体是液压系统中的重要元件,利用帕斯卡定律传递液压动力英语fluid power。像泵浦水车机械从古代就开始使用,可以将液体的运动和机械功之间进行转换。液压泵浦英语hydraulic pump会对液压油施力,将力传递到液压缸中。在许多应用中都会用到液压系统,例如车辆刹车及传动,工程作业车辆飞机的控制系统。液压冲床用在许多不同的应用中,包括生产制造、冲制工件、夹具及成形。[9]

液体有时也用在量测设备中,像温度计就是利用液体(例如)的热膨胀特性,以及可以流动的特性量测温度。压力计是利用液体的重量来量测气压[10]

力学性质[编辑]

体积[编辑]

液体的量通常用体积度量。体积单位包括国际单位制的单位立方米(m3)以及其衍生单位,较常用的是也可以称为的立方公寸(1 dm3 = 1 L = 0.001 m3),以及也可以称为毫升的立方公分(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,特别是在研究不可压缩流时,通常将液体视为不可压缩的。

压强和浮力[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:

这里

为液体在该温度下的密度(假设为常数)
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。

流动[编辑]

液体会受到剪应力及拉伸应力变形,而所产生的阻力则以黏度量度,换言之,黏力越低(黏滞系数低)的液体,具越佳流动性。 当液体过冷,向玻璃态转化时,黏度会急速上升,该液体会成为黏弹性媒介,并具有固体的弹性及液体的流动性,而这个现象取决于观察的时间及扰动的频率。

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 ,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)。

热力学[编辑]

相变[编辑]

典型的相图,点线是说明的异常特性,绿线说明凝固点和压强的关系,蓝线说明沸点和压强的关系变化,红线表示可能出现升华凝华的条件

当液体位于一个低于沸点的温度时,液体中的成分会蒸发,而气体的成分也会凝结,直到两者平衡为止,也就是气体凝结的速率等于液体蒸发的速率。因此若将一液体蒸发后的蒸气持续移除,液体最后一定会完全蒸发。若液体的温度到达沸点时,其蒸发的速率会比凝结的速度要快,温度到达或超过沸点的液体多半会沸腾,但有时会有液体温度超过沸点,但不会沸腾的情形,称为过热

若液体的温度低于凝固点时,液体会开始结晶,转变为固体。这和液体转变为气体不同,在定压下没有相变化的平衡,因此只要没有出现过冷现象,液体最后会完全转变为固体。

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。

太空中的液体[编辑]

在相图中,液态只出现在压强超过一定值的条件下,这也说明为何太空或其他真空中不会有液体。因为其压强为零(除非在行星或恒星的大气层或是内部),水或其他液态的物质在太空中会依其温度不同,可以会沸腾或是凝固。在靠近地球的太空中,若太阳没有照射到,太空中的水会结冰,若太阳有照射到,水就会沸腾汽化。在土星轨道附近的太空,因为太阳光太弱,无法使太空中的冰升华,像土星的土星环即为一例。

溶液[编辑]

两液体之间可能会无法混溶,像意大利沙拉酱英语Italian dressing中的植物油即为一例。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。若要将溶液等混合物中的各成分分离,需要透过分馏的技术。

微观性质[编辑]

静态结构系数[编辑]

典型单原子液体的结构,原子会和许多邻近的原子接触,但没有长程的有序性

在液体中,原子不会形成晶格,也没有任何长程的有序性,这可以从X射线衍射中子衍射技术没有布拉格尖峰看出。在正常情形下,其衍射的讯号会有圆周的对称性,表示液体的各向同性,在径向的衍射强度会有轻微的振荡,可以用静态结构因子S(q)描述,其中q为波数q=(4π/λ)sinθ,由光子或中子的波长λ和布拉格角θ计算而得。S(q)的振荡表示液体中的“邻近度”,也就是和原子最近的一群原子其距离多远,和原子第二近的一群原子其距离多远……。

更直观的说明方式是径向分布函数g(r),基本上是S(q)傅里叶变换,是液体某一时刻对关联的空间平均值。

兰纳-琼斯势流体的径向分布函数

声音的散射和结构的弛豫[编辑]

上述音速的公式中包括体积模量 K。若K不随频率变化,则液体为线性介质英语linear medium,因此声音的传播不会耗散,也不会需要模式耦合英语mode coupling。实际上,液体都会有少许的声频散英语Acoustic dispersion:随着频率增加,K由低频类似液态的转变为高频,类似固态的。许多的液体,其切换都出现在GHz到THz的范围之间,有时称为过音频(hypersound)。

一般液体在GHz以下的频率中不会有剪应力:因此低频的剪切模量,有时这也视为是液体的基本性质[11][12]。不过就像体积模量K一样,剪切模量G也会随频率变化,在过音频也会出现类似的现象,由类似液态的变为类似固态,不为0的

参考文献[编辑]

引用[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 978-1-57912-814-2
  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 978-0-8493-9345-7
  5. ^ Jack Erjavec Automotive technology: a systems approach Delmar Learning 2000 p. 309 ISBN 978-1-4018-4831-6
  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 978-1-56347-013-4
  8. ^ Thomas E Mull HVAC principles and applications manual McGraw-Hill 1997 ISBN 978-0-07-044451-5
  9. ^ R. Keith Mobley Fluid power dynamics Butterworth-Heinemann 2000 p. vii ISBN 978-0-7506-7174-3
  10. ^ Bela G. Liptak Instrument engineers' handbook: process control CRC Press 1999 p. 807 ISBN 978-0-8493-1081-2
  11. ^ doi:10.1017/S0305004100017138
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  12. ^ doi:10.1063/1.1750497
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来源[编辑]

书籍
  • 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 978-0-19-855645-9

参见[编辑]