液體

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液體形狀能受容器形狀影響。
氣體、液體、固體(由上而下):不同的分子排列結構。

液體英語:Liquid)是物質的四個基本狀態之一(其它狀態有固體氣體電漿體),沒有確定的形狀,但有一定體積,具有移動轉動等運動性。液體是由經分子間作用力結合在一起的微小振動粒子(例如原子和分子)組成。水是地球上最常見的液體。和氣體一樣,液體可以流動,可以容納於各種形狀的容器。有些液體不易被壓縮,而有些則可以被壓縮。和氣體不同的是,液體不能擴散布滿整個容器,而是有相對固定的密度。液體的一個與眾不同的屬性是表面張力,它可以導致浸潤現象

液體的密度通常接近於固體,而遠大於氣體。因此,液體和固體都被歸為凝聚態物質。另一方面,液體和氣體都可以流動,都可被稱為流體。雖然液態水在地球上很豐富,但在已知的宇宙中,液態並不是最常見的物態。因為液體的存在需要相對較窄的溫度壓強範圍。宇宙中最常見的物態是氣體(如星際雲氣)和電漿體(如恆星中)。

簡介[編輯]

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強。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[編輯]

常溫常壓下,只有2種元素單質呈液態:。另有4種元素單質熔點略高於室溫:(其推測的熔點高於室溫)、[1]。室溫下為液態的合金包括鈉鉀合金,易熔化的Galinstan合金英語galinstan,及一些汞合金

常溫下呈液體的純物質包括乙醇及許多有機溶劑。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語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、像蛋黃醬油醋汁乳濁液、像之類的懸濁液,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下液化,像二氧化碳只能在高於5.1大氣壓的條件下液化。

一些物質無法歸類到三種狀態中的一種,它們同時具有類液體和類固體的性質。例如液晶生物膜

應用[編輯]

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

磨潤學中會研究液體當作潤滑劑時的一些性質,潤滑劑一般是特別選擇的油,在操作溫度英語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,可以用在塗料密封劑英語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懸濁液,其主要成份是水。

表面活性劑常用在肥皂清潔劑中,像乙醇等溶劑常用作抗微生物劑英語antimicrobial,液體也會用在化妝品墨水及液態染料雷射器中。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]。在機械加工時.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壓動力英語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。液壓泵浦英語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。壓力計是利用液體的重量來量測氣壓[10]

力學性質[編輯]

體積[編輯]

液體的量通常用體積度量。體積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)。

一的定量液體的體積由其溫度和壓強決定。一般情況下,液體熱脹冷縮,但水在0-4 °C時則相反。液體的壓縮率很小,例如使水的密度增加1/1000需要200巴壓強。在流體動力學的研究中,特別是在研究不可壓縮流時,通常將液體視為不可壓縮的。

壓強和浮力[編輯]

引力場(也叫重力場)中,液體對容器壁和任何液體中的物體產生壓強。這一壓強指向各個方向,並隨深度增加而增加。在均勻的引力場中,靜止的液體在深度z處的壓強p為:

這裡

為液體在該溫度下的密度(假設為常數)
重力加速度

需要注意的是此公式假設自由表面處的壓強為0,並且忽略了表面張力的影響。

浸入液體的物體受到浮力的作用。(在其他的流體中也有浮力作用,但由於液體密度大而特別顯著。)

表面[編輯]

水面上的表面波

除非液體的體積與密閉容器相等,液體會產生一個表面。液體表面像一層彈性膜,表面張力在其上產生,液滴和氣泡也由此產生。表面波毛細現象浸潤,表面張力波的形成也都與表面張力相關。

流動[編輯]

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,向玻璃態轉化時,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。

聲音傳播[編輯]

在液體中,僅有的非零剛度是體積變形(液體不能保持剪切力)。因此,聲音在液體中的傳播速度為 ,這裡K是流體的體積模量ρ是密度。比如純淨水中的音速為c=1497m/s(在25℃時)。

熱力學[編輯]

相變[編輯]

典型的相圖,點線是說明的異常特性,綠線說明凝固點和壓強的關係,藍線說明沸點和壓強的關係變化,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。

或減一般能使液體氣化,成為氣體,例如將加溫成水蒸氣。加壓或降溫一般能使液體固化,成為固體,例如將減溫成。然而,僅加壓並不能使所有氣體液化,如,氦等。

太空中的液體[編輯]

在相圖中,液態只出現在壓強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。因為其壓強為零(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[編輯]

兩液體之間可能會無法混溶,像義大利沙拉醬英語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[編輯]

靜態結構係數[編輯]

典型單原子液體的結構,原子會和許多鄰近的原子接觸,但沒有長程的有序性

在液體中,原子不會形成晶格,也沒有任何長程的有序性,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S(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)傅立葉變換,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[編輯]

上述音速的公式中包括體積模量 K。若K不隨頻率變化,則液體為線性介質英語linear medium,因此聲音的傳播不會耗散,也不會需要模式耦合英語mode coupling。實際上,液體都會有少許的聲頻散英語Acoustic dispersion:隨著頻率增加,K由低頻類似液態的轉變為高頻,類似固態的。許多的液體,其切換都出現在GHz到THz的範圍之間,有時稱為過音頻(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,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,在過音頻也會出現類似的現象,由類似液態的變為類似固態,不為0的

參考文獻[編輯]

引用[編輯]

  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. ^ 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. 

來源[編輯]

書籍
  • 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

參見[編輯]