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Líquido

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A formação de uma forma esférica gotícula de água no estado líquido minimiza a área de superfície, que é o resultado natural da tensão superficial em líquidos.

Líquido é um dos os quatro estados fundamentais da matéria (os outros são sólido , gás e plasma ), e é o único estado com um volume definido, mas nenhuma forma fixa. Um líquido é constituída por pequenas partículas de vibração da matéria, tais como os átomos e as moléculas, mantidas juntas por ligações intramoleculares. A água é, de longe, o líquido mais comum na Terra. Como um gás, um líquido é capaz de fluir e tomar a forma de um recipiente. Alguns líquidos resistir à compressão, enquanto outros podem ser comprimidos. Ao contrário de um gás, um líquido não se dispersam para preencher todos os espaços de um recipiente, e mantém uma densidade razoavelmente constante. Uma propriedade distintiva de o estado líquido é a tensão superficial , o que leva a fenômenos de urina.

A densidade de um líquido é geralmente próxima da de um sólido, e muito maior do que num gás. Portanto, líquidos e sólidos são ambos denominados matéria condensada . Por outro lado, como líquidos e gases compartilham a capacidade de fluxo, que ambos são chamados fluidos. Embora a água líquida é abundante na Terra, esse estado da matéria é, na verdade, o menos comum no universo conhecido, porque os líquidos necessitam de um intervalo de temperatura / pressão relativamente estreita de existir. Importa mais conhecido no universo é na forma gasosa (com vestígios de matéria sólida detectável) como nuvens interestelares ou na forma de plasma dentro das estrelas.

Introdução

Imagem térmica de uma pia cheia de água quente com água fria que está sendo adicionado, mostrando como o quente eo fluxo de água fria para o outro.

Líquido é um dos três principais estados da matéria, com os outros são sólidos e gás . Um líquido é um fluido. Ao contrário de um sólido, as moléculas de um líquido tem uma muito maior liberdade de movimento. As forças que se ligam as moléculas em conjunto na forma de um sólido são apenas temporários num líquido, permitindo que um líquido a fluir, enquanto um sólido permanece rígida.

Um líquido, tal como um gás, mostra as propriedades de um fluido. Um líquido pode fluir, assumir a forma de um recipiente, e, se for colocado num recipiente selado, vai distribuir a pressão aplicada uniformemente a todas as superfícies do recipiente. Ao contrário de um gás, um líquido pode nem sempre misturar facilmente com outro líquido, nem sempre vai preencher todo o espaço no recipiente, formando a sua própria superfície, e não irá comprimir significativamente, excepto sob pressões extremamente elevadas. Estas propriedades fazem com que um líquido adequado para aplicações, tais como hidráulica.

Partículas líquidas estão vinculados com firmeza, mas não de forma rígida. Eles são capazes de se movimentar livremente entre si, resultando em um grau limitado de mobilidade das partículas. À medida que as temperaturas aumentam, o aumento das vibrações das moléculas faz com que as distâncias entre as moléculas de aumentar. Quando um líquido atinge o seu ponto de ebulição , as forças de coesão das moléculas que se ligam estreitamente quebrar, e as alterações líquido para estado gasoso (a menos sobreaquecimento ocorre). Se a temperatura é reduzida, as distâncias entre as moléculas tornam-se menores. Quando o líquido atinge o seu ponto de congelamento das moléculas normalmente irá travar em uma ordem muito específica, chamada de cristalização, e os laços entre eles tornam-se mais rígida, mudando o líquido em seu estado sólido (a menos supercooling ocorre).

Exemplos

Apenas dois elementos são líquidos à condições normais de temperatura e pressão: mercúrio e bromo . Mais quatro elementos têm pontos de fusão ligeiramente acima temperatura ambiente: francium , césio , gálio e rubídio . Ligas metálicas que são líquidos à temperatura ambiente incluem NaK, uma liga de metal de sódio e potássio, galinstan, uma liga fusível líquido, e alguns amálgamas (ligas envolvendo mercúrio).

As substâncias puras que são líquidos em condições normais incluem água , etanol e muitos outros solventes orgânicos. A água líquida é de vital importância para a química ea biologia; Acredita-se ser uma necessidade para a existência de vida .

Líquidos diários importantes incluem aquosas soluções como o agregado familiar lixívia, outro misturas de diferentes substâncias, tais como óleo mineral e gasolina, emulsões como vinagrete ou maionese, suspensões, como sangue , e colóides como pintar e leite .

Muitos gases pode ser liquefeito por arrefecimento, produzindo líquidos, tais como oxigénio líquido, azoto líquido, hidrogênio líquido e hélio líquido. Nem todos os gases podem ser liquefeito à pressão atmosférica, por exemplo, dióxido de carbono só pode ser liquefeito a pressões acima de 5.1 atm.

Alguns materiais não podem ser classificadas dentro dos clássicos três estados da matéria; eles possuem propriedades semelhantes sólidos e líquido-como. Exemplos incluem cristais líquidos , utilizados em monitores LCD, e membranas biológicas.

Aplicações

Os líquidos têm uma variedade de utilizações, como lubrificantes, solventes e agentes de refrigeração. Em sistemas hidráulicos, o líquido é utilizado para transmitir potência.

Em tribologia, líquidos são estudadas por suas propriedades como lubrificantes. Lubrificantes, tais como óleo são escolhidos para características de viscosidade e de escoamento que são adequados ao longo do A temperatura de operação do componente. Os óleos são muitas vezes utilizados em motores, caixas de velocidades, metalmecânica e sistemas hidráulicos para suas boas propriedades de lubrificação.

Muitos líquidos são usados como solventes , para dissolver outros líquidos ou sólidos. As soluções são encontrados numa ampla variedade de aplicações, incluindo tintas, selantes, e adesivos. Nafta e acetona são usados com freqüência na indústria para limpar o óleo, graxa e alcatrão a partir de peças e máquinas. Os fluidos corporais são soluções à base de água.

Os surfactantes são comumente encontrados em sabonetes e detergentes. Solventes como álcool são muitas vezes utilizados como antimicrobianos. Eles são encontrados em cosméticos, tintas e líquidos lasers de corante. Eles são utilizados na indústria alimentar, em processos tais como a extracção de óleo vegetal.

Líquidos tendem a ter melhor condutividade térmica que não sejam gases, e a capacidade de fluir torna um líquido adequado para remover o excesso de calor a partir de componentes mecânicos. O calor pode ser removido através da canalização do líquido através de um permutador de calor, tal como um radiador, ou o calor pode ser removido com o líquido durante evaporação. ?gua ou agentes de refrigeração de glicol são usadas para manter motores de superaquecimento. Os líquidos de arrefecimento utilizados em reactores nucleares incluem água ou líquidos metais, tais como de sódio ou de bismuto . Filmes propulsores líquidos são usados para resfriar as câmaras de impulso de foguetes. Em usinagem, a água e os óleos são utilizados para remover o excesso de calor gerado, o qual pode rapidamente arruinar tanto a peça de trabalho e a ferramenta. Durante transpiração, o suor remove o calor do corpo humano por evaporação. No de aquecimento, ventilação e ar indústria-condicionado (HVAC), líquidos tais como a água são usados para transferir calor a partir de uma zona para outra.

Líquido é o componente primário de sistemas hidráulicos, que se aproveitam de A lei de Pascal para fornecer energia fluida. Os dispositivos tais como bombas e rodas de água foram utilizados para alterar o movimento de líquido para trabalho mecânico desde os tempos antigos. Os óleos são forçados através bombas hidráulicas, que transmitem essa força para cilindros hidráulicos. Hidráulica podem ser encontradas em muitas aplicações, tais como freios automotivos e transmissões, equipamento pesado, e os sistemas de controle do avião. Vário prensas hidráulicas são usados extensivamente em reparação e fabricação, para a elevação, premir ou apertar e formando.

Os líquidos são por vezes usados em dispositivos de medição. A termómetro utiliza muitas vezes a de expansão térmica de líquidos, tais como mercúrio , combinado com a sua capacidade para fluir para indicar a temperatura. A manómetro utiliza o peso do líquido para indicar pressão do ar.

Propriedades mecânicas

Volume

As quantidades de líquidos são geralmente medidos em unidades de volume de . Estes incluem o Unidade SI metro cúbico (m 3) e as suas divisões, em especial o decímetro cúbico, mais comumente chamados a litro (1 dm 3 1 = G = 0,001 m 3), e o centímetro cúbico, também chamado mililitro (1 cm3 = 1 mL = 0,001 L = 10 -6 m 3).

O volume de uma quantidade de líquido é fixado pela sua temperatura e pressão. Líquidos geralmente expandem quando aquecidos, e contraem quando resfriado. ?gua entre 0 ° C e 4 ° C é uma notável exceção. Os líquidos têm pouco compressibilidade: água, por exemplo, requer uma pressão da ordem de 200 bar, para aumentar a sua densidade por 1/1000. No estudo de dinâmica de fluidos, líquidos são muitas vezes tratadas como incompressível, especialmente quando se estuda fluxo incompressível.

Pressão e impulsão hidrostática

Em um campo gravitacional, líquidos exercem pressão sobre os lados de um recipiente, bem como em qualquer coisa no interior do próprio líquido. Esta pressão é transmitida em todas as direcções e aumenta com a profundidade. Se um líquido está em repouso num campo gravitacional uniforme, a pressão, p, a qualquer profundidade, z, é dada pela

p = \ rho g z \,

onde:

\ Rho \, é a densidade do líquido (assumida constante)
g \, é a aceleração da gravidade .

Note-se que esta fórmula assume que a pressão na superfície livre é zero, e que a tensão superficial efeitos podem ser negligenciadas.

Objetos imersos em líquidos estão sujeitos ao fenómeno da flutuabilidade. (Flutuabilidade também é observada em outros fluidos, mas é especialmente forte em líquidos devido à sua elevada densidade).

Superfícies

As ondas de superfície em água

A menos que o volume de um líquido corresponde exactamente ao volume de seu recipiente, uma ou mais superfícies são observados. A superfície de um líquido comporta-se como uma membrana elástica em que a tensão superficial aparece, permitindo a formação de e cai bolhas. As ondas de superfície, acção capilar, molhagem, e ondulações são outras consequências da tensão superficial .

Fluxo

Medidas de viscosidade a resistência de um líquido que está a ser deformada ou por tensão de corte ou esforço extensional.

Quando um líquido é sobrearrefecido para o de transição vítrea, a viscosidade aumenta drasticamente! O líquido torna-se então um meio visco-elástico que mostra tanto o elasticidade de um sólido e a fluidez de um líquido, de acordo com a escala de tempo de observação ou sobre a frequência de perturbação.

Propagação do som

Em um fluido a única não nula rigidez é a deformação volumétrica (um fluido que não sustenta a forças de corte). Por conseguinte, a velocidade do som num fluido é dada pela c = \ sqrt {K / \ rho} onde K é a módulo de volume do fluido, e a densidade ρ. Para dar um valor típico, em água fresca c = 1,497 m / s a 25 ° C.

Termodinâmica

As transições de fase

Um típico diagrama de fases. A linha pontilhada dá o comportamento anômalo da água . As linhas verdes mostrar como o ponto de congelação pode variar com a pressão, e a linha azul mostra como o ponto de ebulição pode variar com a pressão. A linha vermelha mostra o limite onde sublimação ou deposição pode ocorrer.

A uma temperatura abaixo do ponto de ebulição , qualquer matéria em forma líquida, evapora-se até que a condensação do gás acima chegar a um equilíbrio. Neste ponto, o gás condensará na mesma taxa como o líquido evapora. Assim, um líquido não pode existir permanentemente se o líquido evaporado é continuamente removido. Um líquido no seu ponto de ebulição evapora-se mais depressa do que o gás pode condensar com a pressão actual. Um líquido a ou acima do seu ponto de ebulição irá normalmente ferver, embora sobreaquecimento pode impedir que este, em determinadas circunstâncias.

A uma temperatura abaixo do ponto de congelação, um líquido tenderá a cristalizar, alterando a sua forma sólida. Ao contrário da transição para o gás, não há equilíbrio a essa transição sob pressão constante, de modo a menos sobrearrefecimento ocorre, o líquido será eventualmente cristalizar completamente. Note que isto só é verdade sob constante pressão, então por exemplo, água e gelo em um recipiente fechado, forte pode chegar a um equilíbrio, onde ambas as fases coexistem. Para a transição em frente de sólido para líquido, ver fusão.

Soluções

Os líquidos podem exibir imiscibilidade. A mistura mais familiar de dois líquidos imiscíveis na vida cotidiana é o óleo vegetal e água na Salada italiana. Um conjunto familiar de líquidos miscíveis é água e álcool. Componentes líquidos em uma mistura pode muitas vezes ser separados um do outro através destilação fraccionada.

Propriedades microscópicas

Fator de estrutura estática

Estrutura de um líquido monoatômico clássica. Os átomos têm muitos vizinhos mais próximos em contato, ainda sem uma ordem de longo alcance está presente.

Em um líquido, átomos não formam uma rede cristalina, nem demonstram qualquer outra forma de ordem de longo alcance. Isto é evidenciado pela ausência de Bragg picos em De raios-X e difração de nêutrons. Sob condições normais, o padrão de difracção tem uma simetria circular, expressando o isotropia do líquido. Na direcção radial, a intensidade de difracção suavemente oscila. Este é normalmente descrita pela factor de estrutura estática S (q), com o número de onda q = (4π / λ) sinθ dada pelo comprimento de onda λ da sonda (de fotões ou de neutrões) e o Bragg θ ângulo. As oscilações de S (q) expressar o fim próximo do líquido, isto é, as correlações entre um átomo e algumas conchas de mais perto, segundo mais próximo, ... vizinhos.

Uma descrição mais intuitiva destas correlações é dada pela função de distribuição g radial (r), que é basicamente o Transformada de Fourier de S (q). Ela representa uma média espacial de um instantâneo temporal correlações de pares no líquido.

Função de distribuição radial do Lennard-Jones modelo fluido.

Dispersão de som e relaxamento estrutural

A expressão acima para a velocidade do som c = \ sqrt {K / \ rho} contém o K módulo de volume. Se K é independente da frequência, em seguida, o líquido se comporta como um forma linear, de modo que o som se propaga sem dissipação e sem modo de acoplamento. Na realidade, qualquer líquido mostra alguns dispersão: com freqüência crescente, K cruza da, como limite líquida de baixa frequência K_0 para o de alta frequência, como limite sólido- K_ \ infty . Nos líquidos normais, a maior parte desta cruz sobre ocorre em freqüências entre GHz e THz, chamado às vezes hiper-som.

Em freqüências sub-GHz, um líquido normal não pode sustentar ondas de corte: o limite da frequência zero- módulo de cisalhamento é G_0 = 0 . Isso às vezes é visto como a propriedade definidora de um líquido. No entanto, assim como a maior módulo K, o módulo de cisalhamento G é dependente da freqüência, e em freqüências Hypersound ele mostra uma cruz semelhante ao longo do limite como líquido- G_0 para um diferente de zero limite do tipo sólido, G_ \ infty .

De acordo com Kramers-Kronig relação, a dispersão da velocidade de som (dada por a parte real de K ou L) vai, juntamente com um máximo na atenuação do som (dissipação, dada por a parte imaginária de K ou L). Conforme teoria de resposta linear, transformada de Fourier de K ou L descreve como o sistema volta ao equilíbrio após uma perturbação externa; Por esta razão, o passo de dispersão na região de GHz..THz também é chamado relaxamento estrutural. De acordo com o flutuação-dissipação teorema, relaxamento para o equilíbrio está intimamente ligada a flutuações no equilíbrio. As flutuações de densidade associados com as ondas sonoras pode ser observado experimentalmente pela Espalhamento de Brillouin.

Em supercooling um líquido para a transição de vidro, o crossover de líquido semelhante aos movimentos de resposta solid-como de GHz para MHz, kHz, Hz, ...; equivalentemente, o tempo característico de aumentos de relaxamento estruturais de ns para microsiemens, ms, s, ... Esta é a explicação microscópica para o comportamento visco-elástico, acima referida, líquidos de formação de vidro.

Efeitos da associação

Os mecanismos de atômica / molecular difusão (ou deslocamento de partícula) em sólidos estão intimamente relacionados com os mecanismos de fluxo viscoso e solidificação em materiais líquidos. Descrições de viscosidade molecular em termos de "espaço livre" dentro do líquido foram modificados, conforme necessário, a fim de explicar líquidos cujas moléculas são conhecidas por serem "associado", no estado líquido a temperaturas normais. Quando várias moléculas se combinam para formar uma molécula associada, encerram dentro de um sistema semi-rígida de uma certa quantidade de espaço que antes estava disponível como espaço livre para as moléculas celulares. Assim, o aumento da viscosidade quando do arrefecimento, devido à tendência da maior parte das substâncias para tornar associado ao arrefecer.

Argumentos semelhantes poderiam ser usadas para descrever os efeitos da pressão sobre a viscosidade, em que pode ser assumido que a viscosidade é uma função principalmente do volume para líquidos com um finito compressibilidade. Por conseguinte, é esperado um aumento da viscosidade com o aumento da pressão. Além disso, se o volume for expandido por acção do calor, mas por pressão reduzida mais uma vez, a viscosidade permanece a mesma.

A tendência local para orientação de moléculas em pequenos grupos empresta o líquido (como referido anteriormente), um certo grau de associação. Esta associação resulta numa considerável "pressão interna" dentro de um líquido, o qual é devido quase inteiramente para aquelas moléculas que, por causa das suas baixas velocidades temporárias (seguindo a distribuição de Maxwell) se aglutinaram com outras moléculas. A pressão interna entre várias dessas moléculas que podem corresponder a entre um grupo de moléculas sob a forma sólida.

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