Vloeistof

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
Spring na: navigasie, soek
Die vorming van 'n sferiese druppel water in die vloeistof fase minimaliseer die oppervlakarea, wat die natuurlike resultaat van oppervlaktespanning in vloeistowwe is.

'n Vloeistof word beskou as een van die drie klassieke toestande van materie. Net soos 'n gas, kan 'n vloeistof vryelik vloei en die vorm van 'n houer aanneem, maar soos 'n vastestof weerstaan dit samepersing. Anders as 'n gas, sal 'n vloeistof nie op so 'n wyse versprei dat dit die hele ruimte van die houer vul nie, en handhaaf ook 'n redelike konstante digtheid. 'n Unieke eienskap van die vloeistof fase is oppervlaktespanning, wat lei tot die verskynsel van benatting .

Die digtheid van 'n vloeistof is gewoonlik na-aan dié van 'n vastestof, maar egter baie hoër as dié van 'n gas. Juis daarom word beide vloeistof en vastestof benoem as gekondenseerde materie. Omdat vloeibaarheid 'n gemene eienskap van vloeistowwe en gasse is, word daar na albei verwys as vloeiers.

Inleiding[wysig]

'n Vloeistof is een van die drie primêre toestande van materie, saam met onder andere vastestof en gas. 'n Vloeistof is ook 'n vloeier. Anders as 'n vastestof, het die molekules in 'n vloeistof 'n groter mate van vryheid om te beweeg. Die kragte wat die molekules saambind in 'n vastestof, is net tydelik vir 'n vloeistof, wat die vloeistof meer toelaat om te vloei, teenoor 'n vastestof wat meer rigied is.

'n Vloeistof, net soos 'n gas, vertoon eienskappe van 'n vloeier. 'n Vloeistof kan vloei, die vorm van 'n houer aanneem, en indien dit in 'n geslote houer geplaas word, sal dit druk eweredig versprei op alle oppervlaktes van die houer. Anders as 'n gas, sal 'n vloeistof nie geredelik met 'n ander vloeistof meng nie, dit sal nie altyd alle ruimte in die houer vul nie, dit vorm 'n oppervlak, en sal nie beduidend saamgepers word nie, behalwe onder uitermatige hoë drukke. Hierdie eienskappe maak dat 'n vloeistof geskik is vir toepassing soos hidroulika.

Vloeistofdeeltjies word ferm gebind, maar nie rigied nie. Die deeltjies kan vryelik om mekaar beweeg, gevolglik slegs 'n beperkte graad van deeltjie beweeglikheid. Indien die temperatuur van die vloeistof vermeerder, sal die vibrasies van die molekules ook vermeerder, wat dan veroorsaak dat die afstande tussen die molekules oor toeneem. Wanneer 'n vloeistof kookpunt bereik, sal die kohesie kragte wat die molekules saambind begin breek, waarna die vloeistof verander na die gas fase (tensy superverhitting plaasvind). As die temperatuur van die vloeistof verminder, word die afstande tussen die molekules gevolglik korter. Wanneer die vloeistof vriespunt bereik, sal die molekules gewoonlik in 'n baie spesifieke patroon begin saambind, wat kristalisasie genoem word, met die bindings wat meer rigied word, waarna die vloeistof oorgaan na die vastestof fase (tensy superverkoeling plaasvind).

Soorte vloeistowwe[wysig]

Slegs twee elemente is vloeistof by kamertemperatuur en druk: kwik en broom. Vier ander elemente se smeltpunte is effens hoër as kamertemperatuur: frankium, sesium, gallium en rubidium.

Suiwer stowwe wat in die vloeistof fase binne normale toestande sluit die volgende in: water, etanol, en ander oplosmiddels. Vloeistof water is van fundamentele belang in chemie en biologie. Daar word geglo dat water 'n noodsaaklikheid vir die bestaan van lewe is.

Belangrike alledaagse vloeistowwe sluit wateragtige oplosmiddels in, soos huishoudelike bleikmiddels, ander oplosmiddels (homogene mengsels, meerfasige vloeistowwe) soos minerale olie en petrol, emulsies soos mayonnaise, suspensies soos melk en bloed, en kolloïedes soos verf.

Vervloeiing van gasse deur verkoeling produseer vloeistowwe soos vloeibare suurstof, vloeibare stikstof, vloeibare waterstof, vloeibare helium, vloeibare neon, vloeibare kripton, vloeibare argon, vloeibare xenon, vloeibare fluoor, vloeibare chloor, vloeibare ammoniak en vloeibare koolstofmonoksied.

Koolstofdioksied kan vervloei word by kamertemperatuur en die druk te verhoog na 6 000 kPa.

Vloeistof kristalle, wat in LCD's gebruik word, kan nie binne die raamwerk van die konvensionele drie toestande van materie geklassifiseer word nie; dit beskik van vastestof- en vloeistofagtige eienskappe. Dieselfde geld vir biologiese membrane.

Eienskappe[wysig]

Vloeistofhoeveelhede word gewoonlik gemeet in die eenheid van volume. Hierdie sluit die SI eenheid kubieke meter (m3) en sy onderafdelings, spesifiek die kubieke desimeter, meer bekend as die liter (1 dm3 = 1 L = 0,001 m3), en ook die kubieke sentimeter, ook genoeg die milliliter (1 cm3 = 1 mL = 0.001 L = 10−6 m3).

Die volume van 'n hoeveelheid vloeistof word vasgemaak deur die temperatuur en druk. Tensy hierdie volume vloeistof nie presies gelyk aan die volume van die houer is nie, sal een of meer oppervlakte waargeneem word.

Onderhewig aan swaartekrag, sal 'n vloeistof druk uitoefen op die kante van 'n houer, sowel as op alles binne-in die vloeistof. Die druk word versprei in alle rigtings en verhoog met toenemende diepte. Indien 'n vloeistof in rus verkeer in 'n uniforme swaartekragveld, sal die druk p, by enige diepte, z, gegee kan word soos volg

p=\rho g z\,

waar:

\rho\, die digtheid van die vloeistof is (ook aangeneem dit bly konstant)
g\, is die swaartekrag versnelling.

Besef dat hierdie formule aanneem die is druk nul by die vrye oppervlak, en dat oppervlakspanning effekte weglaatbaar is.

Voorwerpe onderdompel in vloeistowwe is onderhewig aan die verskynsel van dryfkrag. (Dryfkragte word ook waargeneem in ander vloeiers, maar is veral sterk in vloeistowwe, omdat die digthede so hoog is.)

Vloeistowwe beskik min saampersbaarheid: water byvoorbeeld, se digtheid sal nie verander tensy dit onderwerp word aan drukke in die ordegrootte van 10 000 kPa. Dit is ekwivalent aand die druk 1 km benede die oppervlak van die oseaan. In die studie van vloeimeganika word vloeistowwe bykans altyd beskou as onsaampersbaar, veral in die rigting van onsaampersbare vloei.

Die oppervlak van 'n vloeistof se gedrag is soortgelyk aan 'n elastiese membraan waarby oppervlaktespanning opgemerk word, was die vorming van druppels en borrels toelaat. Kapillêre gedrag, benatting en golwe is die gevolge van oppervlaktespanning.

Viskositeit meet die weerstand van 'n vloeistof wat vervorm deur skuifkragte of verlengingskragte.

Fase veranderinge[wysig]

'n Tipiese fase diagram. Die The stippellyn wys die afwykende gedrag van water. Die groen lyn wys hoe die vriespunt van wissel met druk, en die blou lyn wys hoe die kookpunt van wissel met druk. Die rooi lyn wys die grens waar sublimasie of 'n neerslag kan plaasvind.

By 'n temperatuur onder die kookpunt sal enige materie in vloeistof vorm verdamp totdat die kondensasie van die damp bo die vloeistof ewewig bereik. Wanneer die sisteem hierdie punt bereik, sal die tempo waarteen die vloeistof verdamp gelyk wees aan die tempo van kondensasie. Daarom sal 'n vloeistof nie permanent bestaan indien die verdampte vloeistof verwyder word nie. 'n Vloeistof by kookpunt sal vinniger verdamp as wat die damp in gas fase weer kondenseer by 'n konstante druk. 'n Vloeistof by, of bo, die kookpunt sal normaalweg kook, maar superverhitting kan dit onderdruk in sekere omstandighede.

By 'n temperatuur benede die vriespunt sal 'n vloeistof neig om te kristalliseer, daardeur die verandering na 'n vastestof fase. Anders as die verandering na die gas fase, sal daar geen ewewig bereik word tydens die oorgangsfase nie. Daarom, indien superverkoeling nie plaasvind nie, sal die vloeistof uiteindelik volledig kristalliseer. Neem kennis dat dit ook geldig is vir 'n konstante druk, byvoorbeeld, water en ys in 'n sterk, geslote houer kan ewewig bereik sodat albei fases gelyktydig bestaan.

Vloeistowwe kan die eienskap van onmengbaarheid toon. Die mees bekende voorbeeld van twee onmengbare vloeistowwe in alledaagse lewe is water en plantolie in slaaisous. 'n Soortgelyke voorbeeld van mengbare vloeistowwe is water en etanol. In die laasgenoemde geval word die mengsels weer geskei deur fraksionele distillasie.

In die algemeen sit vloeistowwe uit wanneer dit verhit word, en krimp tydens verkoeling. Water tussen 0 °C en 4 °C is 'n besonderse uitsondering. Water sit eers effens uit, en krimp dan verder.

Struktuur[wysig]

Korrelasies[wysig]

Die struktuur van 'n klassieke monoatomiese vloeistof. Die atome het heelwat naastes waarmee kontak gemaak word, alhoewel geen langafstand patroon teenwoordig is nie.

In 'n vloeistof, sal atome nie 'n kristalstruktuur vorm nie, nóg enige ander vorm van langafstand orde. Dit is bevestig deur die afwesigheid van Bragg pieke in x-straal diffraksie. In normale omstandighede het die diffraksie patroon 'n sirkelagtige simmetrie, wat die isotropie van die vloeistof verteenwoordig. In die radiale rigting sal die diffraksie intensiteit egalig ossilleer. Dit word gewoonlik beskryf deur die statiese struktuur faktor S(q), met golfgetal q=(4π/λ)sinθ gegewe die golflengte λ van die peil (foton of neutron) en die Bragg hoek θ. Die ossillasies van S(q) dui die nabye patroon aan van die vloeistof, d.i. die korrelasie tussen 'n atoom en die doppe van die naaste, naasnaaste, en so aan, buuratome.

'n Meer intuïtiewe beskrywing van hierdie korrelasies word gegee deur die radiale verspreidingsfunksie g(r), wat basies die Fourier transform van S(q) is. Dit verteenwoordig 'n ruimtemaat gemiddelde van 'n tydelike meting van paar korrelasies in die vloeistof. g(r) word bepaal deur 'n relatiewe eenvoudige berekening van die gemiddelde aantal deeltjies binne-in 'n gegewe dopvolume, op 'n afstand r vanaf die middelpunt. Die gemiddelde digtheid van die atome by die gegewe radiale afstand vanaf die middelpunt kan soos volg geskryf word:

g(r) = \frac{n(r)}{\rho 4\pi r^2 \Delta r}

waar n(r) die gemiddelde aantal atome in die dopwydte Δr teen 'n afstand r, en ρ is die gemiddelde atoom digtheid..[1]

g(r) voorsien 'n manier om die diffraksie eksperiment met 'n rekenaar simulasie te vergelyk. Dit kan ook gebruik word saam met die interatomiese paar potensiaal funksie sodat makroskopiese termodinamiese parameters soos interne energie, Gibbs vrye energie, entropie, en entalpie van die ongeordende sisteem.

'n Radiale verpreidingsfunksie van die Lennard-Jones vloeiermodel.

'n Tipiese grafiek van g versus r dui 'n aantal belangrike eienskappe aan:

  1. By kort skeidings (klein r), g(r) = 0. Dit dui die effektiewe breedte van die atome aan, wat uiteindelik die atome se afstand van nadering beperk.
  2. 'n Duidelike aantal pieke verskyn, teen toenemende verminderde intensiteite. Die pieke wys dat die atome rondom mekaar aanpak in 'doppe' van naastes. Teen 'n baie lang afstand sal g(r) neig na die beperkende waarde van 1 (oftewel eenheid), wat die gemiddelde digtheid van die reeks beskryf.
  3. Die verdunning van die pieke teen toenemende radiale afstande vanaf die middelpunt bewys die toenemende graad van orde vanaf die middelste deeltjie. Dit illustreer duidelik die oorsprong van die term "kortafstand orde" in klassieke vloeistowwe en glasse.

Eksperimentele stawing van die radiaal verspreiding in eenvoudige vloeistowwe was verkry deur metodes wat afhanklik is van die verstrooiing van X-strale, waar konstruktiewe interferensie beperk is tot die pieke wat aangetref word binne die radiale afstand r. Daarom, pieke van afnemende amplitude verskyn slegs waar toestande vir die konstruktiewe interferensie van X-strale bevredig word. Die resultaat is die kenmerkende periodiese rangskikking van lig en donker bande van lokale intensiteit maksima en minima - analoë wat bekend is vanaf die diffraksie patroon van X-strale gereflekteer deur kristalvlakke. [2]

Toepassings[wysig]

Vloeistowwe het ‘n verkeidenheid gebruike, soos in die geval van smeermiddels, oplosmiddels en verkoelingsmiddels. In hirouliese sisteme word vloeistowwe gebruik om krag oor te dra.

In tribologie word vloeistowwe se eienskappe bestudeer vir smeermiddelgebruik. Smeermiddels soos olies word gekies omdat dit ‘n sekere viskositeit besit, en vloeikarakteristieke wat geskik is vir die reeks bedryfstemperature van die toepassing. Olies word gewoonlik gebruik in enjins, ratkaste, metaalwerke en hidrouliese sisteme vir die goeie smeringseienskappe.[3]

Baie vloeistowwe dien as oplosmiddels, waarin ander vloeistowwe en vastestowwe opgelos word. Oplosmiddels word in ‘n wye verskeidenheid toepassings gevind, wat verwe, seëlmiddels en kleef- of bindmiddels insluit. Nafta en asetoon word dikwels in die industrie gebruik vir die skoonmaak van olie, ghries, en teer op onderdele en masjienerie. Bevorderingsmiddels word gewoonlik in sepe en skoonmaakmiddels gebruik. Oplosmiddels soos alkohol word alledaags in antimikrobiese middels gevind. Laasgenoemde word ook in skoonheidsmiddels, ink en vloeistof kleurmiddels aangetref. Oplosmiddels kom ook in die voeselindustrie voor, in prosesse soos die ektraksie van plantolie.[4]

Vloeistowwe beskik gewoonlik ‘n beter termiese konduktiwiteit teenoor gasse, en die vermoë om te vloei maak ‘n vloeistof meer geskik vir die verwydering van oormatige hitte vanaf meganiese komponente. Hitteverwydering vind plaas deur die vloeistof na ‘n hitteruiler te stuur, soos die verkoeler van ‘n motor, of die hitte kan verwyder word met ‘n vloeistof deur die proses van verdamping.[5] Verkoelingsmiddels, soos water of glikol word in enjins gebruik, wat die enjin beskerm teen oorverhitting.[6] Die verkoelingsmiddels wat gebruik word in kernreaktore bevat water of vloeibare metale, soos natrium of bismut.[7] Vloeibare dryfmiddels word in lae gebruik in vuurpyle vir die verkoeling van die dryfkamer.[8] In masjienering word water en olies gebruik om die oortollige hitte te verwyder, sodat die gereedskap en metaalwerk nie deur hoë wrywingstemperature beskadig word nie. Gedurende perspirasie word die verdamping van sweet gebruik om hitte vanaf die menslike liggaam te verwyder. Die verhittings- en lugversorgingsindustrie gebruik vloeistowwe, soos water, om hitte tussen die bron en omgewing te vervoer.[9]

Vloeistowwe is die primêre komponent van hidrouliese sisteme wat voordeel trek uit Pascal se Wet. Hierdeur word vloeistofkrag gebruik om krag van een plek na ‘n ander oor te dra. Toerusting soos pompe en waterwiele word sedert antieke tye gebruik om vloeistofbeweging om te skakel na meganiese werk. Olies word geforseer deur hidrouliese pompe, wat beurtelings weer die krag oordra na hidrouliese silinders. Hidroulika word in verskeie toepassings gevind, insluitend motorremme en motortransmissies, swaar konstruksietoerusting, en vliegtuigbeheerstelsels. Verskeie hidrouliese perse word ekstensief in herstelwerk en vervaardigingsbedryf gebruik om te hys, klamp, en vir samepersing, vervorming.[10]

Vloeistowwe word selfs gebruik in metingstoestelle. ‘n Termometer benut die termiese uitsetting en vervloeiingseienskap van vloeistowwe sodat die temperatuur aangedui kan word, soos met kwik. ‘n Manometer gebruik die gewig van die vloeistof om lugdruk aan te dui.[11]

Bronne[wysig]

  1. McQuarrie, D.A., Statistical Mechanics (Harper Collins, 1976)
  2. Berry, R.S. and Rice, S.A., Physical Chemistry, App.23A: X-Ray Scattering in Liquids: Determination of the Structure of a Liquid (Oxford University Press, 2000)
  3. ’’Lubricants and lubrication’’ by Theo Mang, Wilfried Dressel – Wiley-VCH 2007 ISBN 3527314970
  4. ’’Handbook of solvents’’ by George Wypych – William Andrew Publishing 2001 pp. 847-881 ISBN 1895198240
  5. ’’Handbook of thermal conductivity of liquids and gases’’ by N. B. Vargaftik – CRC Press 1994 ISBN 0849393450
  6. ’’Automotive technology: a systems approach’’ by Jack Erjavec – Delmar Learning 2000 Page 309 ISBN 1401848311
  7. ’’The prospects of nuclear power and technology’’ by Gerald Wendt – D. Van Nostrand Company 1957 Page 266
  8. ’’Modern engineering for design of liquid-propellant rocket engines’’ by Dieter K. Huzel, David H. Huang – American Institute of Aeronautics and Astronautics 1992 Page 99 ISBN 1563470136
  9. ’’HVAC principles and applications manual’’ by Thomas E Mull – McGraw-Hill 1997 ISBN 007044451X
  10. Fluid power dynamics By R. Keith Mobley - Butterworth-Heinemann 2000 Page vii ISBN 0750671742
  11. ’’Instrument engineers’ handbook: process control’’ by Bela G. Liptak CRC Press 1999 Page 807 ISBN 0849310814