Tečnost

Raspored molekula u gasovitom, tečnom i čvrstom stanju

Formiranjem sferne kapi tečne vode se minimizuje površina, što je prirodni rezultat dejstva površinskog napona u tečnostima.

Privlačne sile među česticama tečnosti su slabije od sila čvrste materije, stoga se molekuli tečnosti mogu slobodnije kretati.

Tečnosti su materije tečnog agregatnog stanja. Takve materije nemaju stalan oblik, ali imaju stalnu zapreminu, jer su privlačne sile među njihovim česticama slabije pa se mogu slobodnije kretati. Tečnosti, prema tome, lako menjaju oblik odnosno zauzimaju oblik posude u kojoj se nalaze. U hemiji se materije tečnog agregatnog stanja označavaju malim slovom L (engl. liquid — „tečnost“). U periodnom sistemu elemenata najmanje je tečnih elemenata, dok su molekularne tečnosti vrlo rasprostranjene u prirodi.

Tečnost je skoro nekompresibilan fluid koji zadržava (skoro) konstantnu zapreminu nezavisno od pritiska. Kao takva, tečnost je jedno od četiri fundamentalna stanja materije (pri čemu su druga: čvrsto stanje, gas, i plazma), i ona je jedino stanje sa određenom zapreminom bez fiksnog oblika. Tečnost je sačinjena od malih vibrirajućih čestica materije, kao što su atomi, koji su povezani intermolekularnim vezama. Voda je daleko najrasprostranjenija tečnost na Zemlji. Poput gasova, tečnost ima sposobnost proticanja i zauzima oblik suda. Vežina tečnosti je otporna na kompresiju, mada se neke mogu komprimovati. Za razliku od gasova, tečnost se ne širi da bi zauzela svaki deo prostora u sudu, i održava relativno konstantnu gustinu. Distinktno svojstvo tečnog stanja je površinski napon, koji dovodi do fenomena vlaženja.

Gustina tečnosti je obično blizu gustine čvrste materije, i znatno je veća od gasa. Stoga su tečne i čvrste materije nazvanje kondenzovanim materijama. S druge strane, tečnosti i gasovi imaju zajedničku sposobnost tečenja, i nazivaju se fluidima. Mada je tečna voda izobilna na Zemlji, to stanje materije je u stvari najmanje zastupljeno u poznatom svemiru, pošto je za postojanje tečnosti neophodan relativno uzak opseg temperature/pritiska. Većina poznate materije u svemiru je u gasovitoj formi (sa tragovima detektabilne čvrste materije) kao interstelarni oblaci ili obliku plazme u zvezdama.

Uvod

Termalna slika umivaonika punog tople vode kojoj se dodaje hladna voda. Prikazan je način na koji topla i hladna voda utiču jedna u drugu.

Tečnost je jedno od četiri primarna stanja materija, dok su ostala čvrsto stanje, gas i plazma. Tečnost je fluid. Za razliku od čvrste materije, molekuli tečnosti imaju znatno veći broj stepena slobode kretanja. Sile koje drže molekule tečnosti zajedno u čvrstoj materiji su samo privremene u tečnosti, što omogućava tečnosti da teče, dok čvrste materije ostaju krute.

Tečnost, poput gasa, ispoljava svojstva fluida. Tečnost može da teče, zauzima oblik suda, i ako se stavi u zatvoreni sud ravnomerno raspoređuje primenjeni pritisak na sve površine suda. Ako se tečnost stavi u kesu, njoj se može dati bilo koji željeni oblik. Za razliku od gasa, tečnosti se sa lakoćom uvek ne mešaju sa drugim tečnostima, ne popunjavaju uvek u potpunosti dostupni prostor u sudu, one formiraju svoju sopstvenu površinu, i ne podležu u znatnoj meri komprimovanju, izuzev pod ekstremno visokim pritiscima. Ta svojstva čine tečnost podesnom za primene u hidraulici.

Čestice tečnosti su čvrsto vezane, ali one nisu krute. One imaju sposobnost slobodnog kretanja jedna oko druge, što proizvodi ograničene stepene mobilnosti čestica. sa povećanjem temperature, pojačane vibracije molekula uzrokuju povećanje rastojanja između molekula. Kad tečnost dostigne svoju tačku ključanja, kohezivne sile koje blisko vezuju molekule zajedno pucaju, i tečnost prelazi u gasovito stanje (osim slučaja superzagrevanja). Ako se temperatura smanjuje, rastojanje između molekula postaje manje. Kad tečnost dostigne svoju tačku smrzavanja molekuli se obično fiksiraju u veoma specifičnom uređenju, tj. dolazi do kristalizacije, i veze između njih postaju kruće, čime tečnost prelazi u čvrsto stanje (osim u slučaju superhlađenja).

Primeri

Jedina dva elementa koja su tečna pod standardnim uslovima temperature i pritiska su: živa i brom. Četiri dodatna elementa imaju tačke topljenja neznatno iznad sobne temperature: francijum, cezijum, galijum i rubidijum. Metalne legure koje su tečne na sobnoj temperaturi su NaK, natrijum-kalijumska metalna legura, galinstan, topljiva tečna legura, i neki amalgami (legure žive).

Čiste supstance koje su tečne pod normalnim uslovima obuhvataju vodu, etanol i mnoge druge organske rastvarače. Tečna voda je od vitalnog značaja u hemiji i biologiji; smatra se da je neophodna za postojanje života.

Neorganske tečnosti obuhvataju vodu, magmu, neorganske nevodene rastvarače i mnoge kiseline.

Među važnim tečnostima u svakodnevnoj upotrebi su tečni rastvori kao što su kućni izbeljivači, i smeše raznih supstanci kao što su mineralna ulja i benzin, emulzije kao što su prelivi ili majonez, suspenzije poput krvi, i koloidi kao što su boje i mleko.

Mnogi gasovi se mogu prevesti u tečno stanje hlađenjem, čime nastaju tečnosti kao što su tečni kiseonik, tečni azot, tečni vodonik i tečni helijum. Svi gasovi se ne mogu prevesti u tečnost na atmosferskom pritisku, na primer ugljen-dioksid se može prevesti u tečnost samo na pritisku iznad 5,1 atm.

Neki materijali se ne mogu klasifikovati u okviru tri klasična stanja materije; oni poseduju svojstva slična čvrstoj materiji i tečnostima. Primeri takvih materijala su tečni kristali, koji se koriste za izradu LCD displeja, i biološke membrane.

Voda

Najrasprostranjenija, najpoznatija, najvažnija i najneophodnija tekućina za čovjeka je voda. Ona čini oko 70% površine naše planete a i oko 65% našeg organizma tako da bez nje ne bi bilo ni života...

Rasprostranjenost voda u prirodi

Primene

Tečnosti imaju mnoštvo upotreba, kao lubrikanti, rastvarači, i rashladne tečnosti. U hidrauličkim sistemima, tečnosti se koriste za prenos snage.

U tribologiji, tečnosti se izučavaju zbog njihovih svojstava kao lubrikanti. Lubrikanti kao što su ulja se biraju zbog njihove viskoznosti i protočnih karakteristika koje su podesne širom opsega operacione temperature date komponente. Ulja se često koriste u motorima, transmisijama, obradi metala, i hidrauličkim sistemima zbog njihovih dobrih lubrikacionih svojstava.

Mnoge tečnosti se koriste kao rastvarači, za rastvaranje drugih tečnosti i čvrstih materija. Rastvori nalaze primenu u mnoštvu različitih aplikacija, uključujući boje, zaptivne smese, i lepkove. Nafta i aceton se često koriste u industriji za čišćenje ulja, maziva, i katrana sa delova i mašinerije. Telesni fluidi su rastvori bazirani na vodi.

Surfakanti su obično prisutni u sapunima i deterdžentima. Rastvarači poput alkohola se često koriste kao antimikrobni agensi. Oni nalaze primenu u kozmetici, mastilima, i tečnim obojenim laserima. Oni se koriste u prehrambenoj industriji, u procesima kao što su ekstrakcija biljnog ulja.

Tečnosti obično imaju bolju termalnu provodnost od gasova, i sposobnost tečenja ih čini podesnim za uklanjanje suvišne toplote iz mehaničkih komponenti. Toplota se može ukloniti provođenjem tečnosti kroz toplotne razmenjivače, kao što su radijatori, ili do uklanjanja toplote može doći putem isparavanja. Vodeni ili glikolni rashlađivači se koriste za sprečavanje pregrevanja motora. Rashlađivači koji se koriste u nuklearnim reaktorima obuhvataju vodu i tečne metale, kao što su natrijum ili bizmut. Tečni propelantni filmovi se koriste za hlađenje potisnih komora raketa. U mašinstvu, se koriste voda i ulje za uklanjanje suvišne toplote, koja može brzo da ošteti obrađivani deo i alat. Tokom perspiracije, znoj uklanja toplotu iz ljudskog tela putem isparavanja. U industriji zagrevanja, ventilacije, i klimatizacije (HVAC), tečnosti kao što je voda se koriste za transfer toplote sa jedne oblasti na drugu.

Tečnost je primarna komponenta hidrauličnih sistema, koji funkcionišu na principu Paskalovog zakona i pružaju snagu tečnosti. Uređaji kao što su pumpe i vodeni točkovi su korišteni za preobražaj kretanja tečnosti u mehanički rad od drevnih vremena. Ulja prolaze kroz hidraulične pumpe, koje transmituju tu silu do hidrauličkih cilindara. Hidraulički uređaji imaju mnoštvo primena, kao što su automobilske kočnice i transmisije, teška oprema, i kontrolni sistemi aviona. Razne hidrauličke prese se ekstenzivno koriste za popravku i proizvodnju, za podizanje i presovanje, stezanje i formiranje.

Tečnosti se ponekad koriste u mernim uređajima. Termometri često koriste termalnu ekspanziju tečnosti, kao što je živa, u kombinaciji sa njenom sposobnosti da teče, za indiciranje temperature. Manometar koristi težinu tečnosti kao indikator vazdušnog pritiska.

Mehanička svojstva

Zapremina

Količina tečnosti se obično meri u jedinicama zapremine. One obuhvataju SI jedinicu kubni metar (m³) i njegove delove, a posebno kubni decimetar, koji se najčešće naziva litrom (1 dm³ = 1 L = 0.001 m³), i kubni centimetar, koji se naziva mililitrom (1 cm³ = 1 mL = 0.001 L = 10⁻⁶ m³).

Zapremina date količine tečnosti je fiksna na datoj temperaturi i pritisku. Tečnosti se generalno šire pri zagrevanju, i sakupljaju pri hlađenju. Voda između 0 °C i 4 °C je primetni izuzetak.

Tečnosti imaju malu kompresibilnost. Voda se, na primer, može komprimovati za samo 46,4 dela po milionu za svaku jedinicu povećanja atmosferskog pritiska (bar). Na oko 4000 bara (58.000 psi) pritiska, na sobnoj temperaturi, voda ispoljava samo 11% smanjenja zapremina. Pri izučavanju dinamike fluida, tečnosti se često tretiraju kao nekompresibilne, a to je posebno slučaj u studijama nekompresibilnog protoka. Ta nekompresibilna priroda čini tečnosti podesnim za prenos hidrauličke snage, pošto se veoma malo energije gubi u obliku kompresije. Međutim, neznatna kompresibilnost dovodi do drugih fenomena. Lipanje cevi, zvano vodeni udar, se javlja kad se ventil naglo zatvori, kreirajući ogromno povišenje pritiska na ventilu koje putuje nazad širom sistema. Još jedan fenomenon uzrokovan nestišljivošću tečnosti je kavitacija, pri čemu tečnost u oblasti niskog pritiska isparava i formira mehure, koji zatim kolapsiraju pri ulasku u oblasti visokog pritiska. To uzrokuje popunjavanje praznina na kojima su postojali mehuri tečnošću sa ogromnom, lokalizovanom silom, erodirajući bilo koju susednu čvrstu površinu.

Pritisak i potisak

Glavni članak: Statika fluida

U gravitacionom polju, tečnosti vrše pritisak na zidove suda kao i na predmete u samoj tečnosti. Taj pritisak se prenosi u svim pravcima i povećava se sa dubinom. Ako je tečnost u miru u uniformnom gravitacionom polju, pritisak, p, na bilo kojoj dubini, z, je dat sa

$p=\rho gz\,$

gde:

$\rho \,$ označava gustinu tečnosti (pretpostavljenog sadržaja)

$g\,$ je gravitaciono ubrzanje.

Ova formula pretpostavlja da je pritisak na slobodnoj površini jednak nuli, i da su efekti površinskog napona zanemarljivi.

Objekti uronjeni u tečnosti su podložni fenomenu potiska. (Potisak je primetan u svim fluidima, mada je posebno jak u tečnostima zbog njihove velike gustine.)

Površine

Glavni članak: Nauka o površinama

Površinski talasi na vodi

Osom ako zapremina tečnosti precizno odgovara zapremini suda, primetna je jedna ili više površina. Površina tečnosti se ponaša kao elastična membrana na kojoj se javlja površinski napon, koji omogućava formiranje kapi i mehura. Površinski talasi, kapilarnih pojava, vlaženje, i kapilarni talasi su druge konsekvence površinskog napona.

Slobodna površina

Glavni članak: Slobodna površina

Slobodna površina je površina fluida koja je podložna nultom normalnom stresu i paralelnom smicanju, kao granica između, npr., tečne vode i vazduha Zemljine atmosfere.

Nivo

Nivo tečnosti (npr. nivo vode) je visina asocirana sa slobodnom površinom tečnosti, posebno kad je to najviši deo njene površine. On se može meriti pomoću senzora nivoa.

Protok

Glavni članci: Mehanika fluida i Dinamika fluida

Viskozitet meri otpor tečnosti koja se deformiše putem smicanja ili ekstenzionalnog stresa.

Kad je tečnost superohlađena do temperature ostakljavanja, viskozitet se dramatično povećava. Tečnost onda postaje viskoelastični medijum, koji pokazuje elastičnost čvrste materije i fluidnost tečnosti, u zavisnosti od vremenske skale opažanja ili frekvencije perturbacije.

Propagacija zvuka

Glavni članak: Brzina zvuka

Brzina zvuka u tečnosti je data sa $c={\sqrt {K/\rho }}$, gde K označava modul stišljivosti fluida, a ρ gustinu. Tipična vrednosti za svežu vodu je c=1497 m/s na 25 °C.

Termodinamika

Fazni prelazi

Glavni članci: Ključanje, Tačka ključanja, Topljenje i Tačka topljenja

Tipični fazni dijagram. Tačkasta linija pokazuje anomalno ponašanje vode. Zelene linije pokazuju kako tačka smrzavanja može da varira sa pritiskom, a plave linije pokazuju kako tačka ključanja može da varira sa pritiskom. Crvena linija je granica gde se mogu javiti sublimacija ili depozicija.

Na temperaturi ispod tačke ključanja, bilo koja materija u tečnoj formi će isparavati dok kondenzacija gasa iznad nje ne dostigne ravnotežu. U toj tački gas se kondenzuje istom brzinom kojom tečnost isparava. Stoga, tečnost ne može permanentno da postoji, ako se isparena tečnost konstantno uklanja. Tečnost na njenoj tački ključanja će isparavati brže nego što se gas kondenzuje na datom pritisku. Tečnost na ili iznad njene tačke ključanja normalno ključa, mada superzagrejavanje može to da spreči u pojedinim okolnostima.

Na temperaturi ispod tačke smrzavanja, tečnost se kristalizuje, prelazeći u svoje čvrsto stanje. Za razliku od prelaza u gas, ne postoji ravnoteža u ovoj tranziciji pod konstantnim pritiskom, tako da osim ako dođe do superhlađenja, tečnost će konačno potpuno kristalisati. Do toga jedino dolazi pri konstantnom pritisku, tako da na primer voda i led u zatvorenom, jakom sudu mogu da dostignu ravnotežu, gde obe faze postoje. Promena u suprotnom smeru iz čvrste materije u tečnost se naziva topljenje.

Tečnost u svemiru

Fazni dijagram objašnjava zašto tečnosti ne postoje u svemiru ili u nekom drugom vakuumu. Pošto je pritisak jednak nuli (izuzev na površinama ili unutrašnjosti planeta ili meseca) voda i druge tečnosti izložene svemiru će odmah proključati ili će se smrznuti u zavisnosti od temperature. U regionima prostora u blizini Zemlje, voda se smrzava ako je Sunce direktno ne obasjava i isparava (sublimira) čim na nju padnu sunčevi zraci. Ako voda postoji kao led na Mesecu, ona može jedino da postoji u zasenčenim rupama gde sunce nikad ne doseže i gde se okolne stene suviše ne zagrevaju. U pojedinim tačkama u blizini orbite Saturna, Sunčeva svetlost je suviše slaba da bi sublimirala led do vodene pare. To je evidentno po dugotrajnosti leda koji sačinjava Saturnove prstenove.

Rastvori

Glavni članak: Rastvor

Tečnosti mogu da manifestuju nemešljivost. Jedna od poznatih nemešljivih smeša tečnosti iz svakodnevnog života je smeša biljnog ulja i vode u prelivu za salatu. Poznat par tečnosti koje se mešaju su voda i alkohol. Tečne komponente smeše često mogu da budu odvojene jedna od druge putem frakcione destilacije.

Mikroskopska svojstva

Statički strukturni faktor

Glavni članak: Struktura tečnosti i stakla

Struktura klasične monoatomske tečnosti. Atomi mogu da budu u kontaktu sa najbližim susedima, dok uređenost na većim rastojanjima nije prisutna.

U tečnosti, atomi ne formiraju kristalnu rešetku, niti oni mogu da ispolje bilo koju formu reda na većim rastojanjima. To je evidentno po odsustvu Bragovih pikova u rendgenskoj i neutronskoj difrakciji. Pod normalnim uslovima, difrakcioni patern ima kružnu simetriju, izražavajući izotropiju tečnosti. U radijalnom pravcu, difrakcioni intenzitet glatko osciluje. To se obično opisuje statičkim strukturnim faktorom S(q), sa talasnim brojem q=(4π/λ)sinθ datim talasnom dužinom λ sonde (fotona ili neutrona) i Bragovim uglom θ. Oscilacije S(q) izražavaju bliski red tečnosti, tj. korelacije između atoma i nekoliko ljuski najbližih, drugih najbližih, ... suseda.

Intuitivniji opis tih korelacija je dat putem funkcije radijalne distribucije g(r), koja je bazično Furijoeva transformacija S(q). Ona predstavlja prostorni prosek temporalnog snimka para korelacija u tečnosti.

Radijalna distribuciona funkcija Lenard-Džonsovog modela fluida.

Disperzija zvuka i strukturna relaksacija

Gornji izraz za brzinu zvuka $c={\sqrt {K/\rho }}$ sadrži nemešljivost K. Ako je K nezavisna od frekvencije onda se tečnost ponaša kao linearni medijum, tako da se zvuk širi bez disipacije i bez sprezanja modova. U realnosti, svaka tečnost pokazuje izvesnu disperziju: sa povećanjem frekvencije, K prelazi od niske frekvencije, limita $K_{0}$ sličnog tečnosti, do visoke frekvencije, limita sličnom čvrstom stanju $K_{\infty }$. U normalnim tečnostima, većina tih prelaza se događa na frekvencijama između GHz i THz, ponekad zvanih hiperzvuk.

Na sub-GHz frekvencijama, normalna tečnosti ne može da održi S talase: limit nulte frekvencije modula smicanja je $G_{0}=0$. To se ponekad smatra definišućim svojstvom tečnosti. Međutim, poput modula stišljivosti K, moduo smicanja G je zavisan od frekvencije, i na hiperzvučnim frekvencijama on pokazuje sličan prelaz iz limita sličnog tečnosti $G_{0}$ u limit sličan čvrstom stanju, ne nultu vrednost $G_{\infty }$.

U skladu sa Kramers-Kronigovom relacijom, disperzija brzine zvuka (predstavljena realnim delom K ili G) ide uz maksimum zvučnog prigušenja (disipacija, predstavljena imaginarnim delom K ili G). Prema teoriji linearnog responsa, Furijeova transformacija K ili G opisuje način na koji se sistem vraća u ravnotežu nakon spoljašnje perturbacije; iz tog razloga, disperzioni korak u GHz..THz regionu se isto tako naziva strukturnom relaksacijom. Prema fluktuaciono-disipacionoj teoremi, relaksacija prema ravnoteži je blisko povezana sa fluktuacijama u ravnoteže. Gustina fluktuacija vezanih za zvučne talase se može eksperimentalno uočiti u vidu Brilouinovog rasipanja.

Pri superhlađenju tečnosti u blizini staklene tranzicije, prelaz iz tečnosti sličnog u čvrstoj materiji sličan respons odgovara prelazu iz GHz u MHz, kHz, Hz, ...; ekvivalentno tome, karakteristično vreme strukturne relaksacije se povećava sa ns na μs, ms, s, ... To je mikroskopsko objašnjenje za gore pomenuto viskoelastično ponašanje tečnosti koje formiraju staklo.

Efekti asocijacije

Mehanizmi atomske/molekulske difuzije (ili pomeranja čestica) u čvrstoj materiji su blisko srodni sa mehanizmima viskoznog protoka i solidifikacije tečnih materijala. Opisi viskoziteta u pogledu molekularnog „slobodnog prostora“ u tečnosti su modifikovani po potrebi da bi se uzele u obzir tečnosti za čije molekule je poznato su „asocirani“ u tečnom stanju na običnim temperaturama. Kad se različiti molekuli kombinuju u grupe asociranih molekula, oni formiraju polukrute sisteme u datim prostornim oblastima koje su ranije bile dostupne kao slobodni prostor za mobilne molekule. To dovodi do povećanje viskoziteta nakon hlađenja usled tendencije većine supstanci da budu asocirane nakon hlađenja.

Slični argumenti se koriste za opisivanje dejstva pritiska na viskozitet, pri čemu se može pretpostaviti da je viskozitet prvenstveno funkcija zapremine za tečnosti sa konačnom kompresibilnošću. Očekuje se povećanje viskoziteta sa porastom pritiska. Ako se zapremina povećava toplotom i redukuje pritiskom, viskozitet se ne menja.

Lokalna tendencija da se molekuli orijentišu u malim grupama daje tečnosti (kao što je navedeno ranije) određeni stepen asocijacije. Ta asocijacija rezultira u znatnom „unutrašnjem pritisku“ tečnosti, koji je skoro potpuno uzrokovan tim molekulima koji su usled svojih privremeno malih brzina (sledstveno Maksvelovoj distribuciji) grupisani sa drugim molekulima. Unutrašnji pritisak između nekoliko takvih molekula može da odgovara pritisku između grupa molekula u čvrstoj formi.

Literatura

• Erjavec, Jack (2005). Automotive Technology: A Systems Approach. Cengage Learning. str. 309. ISBN 978-1-4018-4831-6. 
• Wypych, George (2001). Handbook of Solvents. ChemTec Publishing. str. 847—881. ISBN 978-1-895198-24-9. 
• Mang; Dresel, Wilfried (2007). Lubricants and Lubrication. John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-61033-4. 
• Liptak, Bela G. (2018). Instrument Engineers' Handbook, Volume Two: Process Control and Optimization. CRC Press. str. 807. ISBN 978-1-4200-6400-1. 
• McGee, T. D. (1988). Principles and Methods of Temperature Measurement. str. 3. ISBN 978-0-471-62767-8. 
• White, F. (2003). Fluid Mechanics. McGraw-Hill. str. 4. ISBN 978-0-07-240217-9. 
• Wahab, M. A. (2005). Solid State Physics: Structure and Properties of Materials. Alpha Science. str. 1—3. ISBN 978-1-84265-218-3. 
• Haynes, William M., ur. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd izd.). CRC Press. ISBN 978-1-4398-5511-9. 
• Goldberg, David E. (1988). 3,000 Solved Problems in Chemistry (1st izd.). McGraw-Hill. section 17.43, p. 321. ISBN 978-0-07-023684-4. 
• Cutnell, John D.; Johnson, Kenneth W. (2006). Essentials of Physics. Wiley Publishing. 
• Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements (New izd.). New York, NY: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-960563-7. 
• Taylor, Philip L. (2002). A Quantum Approach to Condensed Matter Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-77103-0. 
• J. P. Hansen, I. R. Mcdonald (2006). Theory of simple Liquids. Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-370535-8. 
• M. P. Allen, D.J. Tildesly (1989). Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855645-9. 

Spoljašnje veze

• Статья «Жидкость» — в Физической энциклопедии