液體

液體組成。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，液體不能擴散佈滿整個容器，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和壓強範圍。宇宙中最常見的物態是氣體。簡介.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。與固體不同的是液體屬於流體，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。舉例.常溫常壓下，只有2種元素單質呈液態：汞和溴。另有4種元素單質熔點略高於室溫：鍅。室溫下為液態的合金包括鈉鉀合金，易熔化的鎵銦錫合金，及一些汞合金。常溫下呈液體的純物質包括水、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。無機液體包括水、許多及無機酸。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、像血之類的懸濁液，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。例如液晶和生物膜。應用.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。在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。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、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懸濁液，其主要成份是水。表面活性劑常用在肥皂及清潔劑中，像乙醇等溶劑常用作抗微生物劑，液體也會用在化妝品、墨水及液態染料鐳射器中。液體也用在食品產業中，例如萃取植物油的製程。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.。水或是乙二醇常用在引擎的散熱系統，避免引擎過熱。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。液態推進劑會形成薄膜，冷卻火箭的推進室。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。在暖通空調中，常用水或其他液體作為工質，將熱量由一處帶到另一處。液體是液壓系統中的重要元件，利用帕斯卡定律傳遞。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。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。液體有時也用在量測裝置中，像溫度計就是利用液體的熱膨脹特性，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。力學性質.體積.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。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。壓力和浮力.在引力場中，液體對容器壁和任何液體中的物體產生壓力。這一壓力指向各個方向，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"h"處的壓力"p"為：formula_1這裡formula_2為液體在該溫度下的密度formula_3為重力加速度需要注意的是此公式假設自由表面處的壓力為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。表面.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.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。聲音傳播.在液體中，僅有的非零剛度是體積變形。因此，聲音在液體中的傳播速度為formula_4，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。熱力學.相變.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。增溫或減壓一般能使液體氣化，成為氣體，例如將水加溫成水蒸氣。加壓或降溫一般能使液體固化，成為固體，例如將水減溫成冰。然而，僅加壓並不能使所有氣體液化，如氧，氫，氦等。太空中的液體.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，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.兩液體之間可能會無法混溶，像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。微觀性質.靜態結構係數.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佈函式"g(r)"，基本上是"S(q)"的傅立葉變換，是液體某一時刻對關聯的空間平均值。聲音的散射和結構的弛豫.上述音速的公式formula_4中包括體積模量 "K"。若"K"不隨頻率變化，則液體為，因此聲音的傳播不會耗散，也不會需要。實際上，液體都會有少許的聲頻散：隨著頻率增加，"K"由低頻類似液態的formula_6轉變為高頻，類似固態的formula_7。許多的液體，其切換都出現在GHz到THz的範圍之間，有時稱為過音訊。一般液體在GHz以下的頻率中不會有剪應力：因此低頻的剪下模量為formula_8，有時這也視為是液體的基本性質。不過就像體積模量"K"一樣，剪下模量"G"也會隨頻率變化，在過音訊也會出現類似的現象，由類似液態的formula_9變為類似固態，不為0的formula_10。