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 (英語: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 ),没有固定的形状,但有一定体积,具有移动 与转动 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 和压强 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)。
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 及電漿體 。与固體不同的是液体属于流体,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。
液體和氣體一樣都有流體的特質。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)。
常温常压下,只有2种元素单质呈液态:汞 和溴 。另有4种元素单质熔点略高于室温:钫 (其推測的熔点高于室温)、铯 (熔点28.44 °C)、鎵 (熔点29.7646 °C)和铷 (熔点39.31 °C)[ 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 ,及一些汞合金 。
常温下呈液体的純物質包括水 、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。
無機液體包括水 、許多無機非水溶劑 及無機酸 。
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 及石油 等不同物質的混合物、像蛋黃醬 或油醋汁 等乳濁液 、像血 之類的悬浊液 ,以及像油漆 及牛奶 等膠體 。
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 及液氨 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 和生物膜 。
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。
在磨潤學 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 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 或膠體 ,可以用在塗料 、密封剂 ( 英语 : sealant ) 及黏合劑 上。在工業上常用石腦油 及丙酮 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 及清潔劑 中,像乙醇 等溶劑常用作抗微生物剂 ,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水 ,以及像鈉 或鉍 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 及水車 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 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 及飛機 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(例如汞 )的熱膨脹 特性,以及可以流動的特性量測溫度。压力计 是利用液體的重量來量測氣壓 。[ 10]
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。
在引力场 (也叫重力场 )中,液体对容器壁和任何液体中的物体产生壓力。这一壓力指向各个方向,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h 处的壓力p 为:
p = ρ g h {\displaystyle p=\rho gh\,} 这里
ρ {\displaystyle \rho \,} 为液体在该温度下的密度(假设为常数)g {\displaystyle g\,} 为重力加速度 需要注意的是此公式假设自由表面处的壓力为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)
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。
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 的媒介 ,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。
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 = K / ρ {\displaystyle 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)。
典型的相圖 ,點線是說明水 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 或凝華 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。
增温 或减压 一般能使液体气化,成为气体 ,例如将水 加温成水蒸气 。加压或降温一般能使液体固化,成为固体 ,例如将水 减温成冰 。然而,仅加压并不能使所有气体液化,如氧 ,氢 ,氦等。
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。
兩液體之間可能會無法混溶 ,像義大利沙拉醬 ( 英语 : Italian dressing ) 中的水 和植物油 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。
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 及中子衍射技術 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) 的傅里叶变换 ,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上述音速的公式c = K / ρ {\displaystyle 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 :隨著頻率增加,K 由低頻類似液態的K 0 {\displaystyle K_{0}} 轉變為高頻,類似固態的K ∞ {\displaystyle 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 為G 0 = 0 {\displaystyle 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 {\displaystyle G_{0}} 變為類似固態,不為0的G ∞ {\displaystyle G_{\infty }} 。
书籍