Ciecz — definicja, właściwości, przykłady i ciśnienie hydrostatyczne

Właściwości cieczy

• Stała objętość: w normalnych warunkach ciecz zachowuje niemal niezmienną objętość.
• Brak stałego kształtu: kształt zależy od naczynia i sił zewnętrznych.
• Lepkość: opór cieczy wobec płynięcia — lepkość. Ciecze o dużej lepkości (np. smoła) płyną bardzo powoli i mogą sprawiać wrażenie ciał stałych. Wyróżnia się lepkość dynamiczną i kinematyczną oraz zachowanie Newtonowskie i nienewtonowskie (np. krew jest cieczą częściowo nienewtonowską).
• Napięcie powierzchniowe: wynikające z oddziaływań międzycząsteczkowych, odpowiedzialne za kapilarność i zaokrąglanie kropli.
• Trudna ściśliwość: ciecz jest praktycznie nieściśliwa w porównaniu z gazami — zmiana objętości pod wpływem ciśnienia jest bardzo mała.
• Gęstość: gęstość (ρ) określa masę na jednostkę objętości i różni się dla różnych cieczy.
• Przejścia fazowe: po ochłodzeniu ciecz może przejść w ciało stałe (temperatura topnienia/zamarzania), a po podgrzaniu w gaz w temperaturze wrzenia; każda ciecz ma swoje charakterystyczne temperatury.

Przykłady cieczy

Typowe przykłady to woda, różne oleje, krew, rtęć, gliceryna czy płyny przemysłowe. Niektóre z nich (np. smary, smoła) mają bardzo wysoką lepkość, inne (np. alkohol) — małą.

Ciśnienie hydrostatyczne

W cieczy warstwy oddziałują na siebie siłą normalną, więc ciecz znajdująca się wyżej naciska na ciecz poniżej. W wyniku tego ciśnienie rośnie wraz z głębokością. Dla punktu położonego na głębokości z poniżej powierzchni, jeśli pominiemy wpływ ciśnień zewnętrznych, równanie opisujące to zjawisko ma postać:

p = ρ g z

gdzie:

• ρ — gęstość cieczy (jedn. kg/m³),
• g — przyspieszenie grawitacyjne (~9,81 m/s² na Ziemi),
• z — głębokość mierzone od poziomu odniesienia (m).

W praktyce zwykle uwzględnia się ciśnienie atmosferyczne przy powierzchni, stąd pełne ciśnienie absolutne na głębokości h wynosi:

p = p0 + ρ g h,

gdzie p0 to ciśnienie zewnętrzne (np. ciśnienie atmosferyczne). Jednostką ciśnienia w układzie SI jest paskal (Pa): 1 Pa = 1 N/m². Przykład: woda o gęstości ~1000 kg/m³ na głębokości 10 m daje przyrost ciśnienia około 1000·9,81·10 ≈ 9,81·10^4 Pa ≈ 0,981 bar.

Kilka ważnych konsekwencji ciśnienia hydrostatycznego:

• Ciśnienie zależy tylko od głębokości i gęstości cieczy, a nie od kształtu czy objętości naczynia (tzw. paradoks hydrostatyczny).
• Differencje ciśnień powodują siły wyporu opisane przez zasadę Archimedesa: siła wyporu równa jest ciężarowi wypartej cieczy.
• Prawo Pascala: zmiana ciśnienia wywołana w jednym miejscu cieczy przenosi się jednakowo na wszystkie kierunki.

Dodatkowe uwagi

• Choć ciecz jest słabo ściśliwa, przy bardzo dużych ciśnieniach pojawiają się odczuwalne zmiany objętości oraz prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych w płynie.
• Nie wszystkie ciecze zachowują się jak ciecze Newtonowskie (przykłady: krew, ketchup, płyn nienewtonowski śmieszny płyn); ich lepkość zależy od szybkości ścinania.
• Napięcie powierzchniowe i kapilarność wpływają na zachowanie się cieczy w cienkich rurkach i na styku z ciałami stałymi.

Podsumowując: ciecz ma określoną objętość, nie posiada stałego kształtu, charakteryzuje się lepkością, gęstością i napięciem powierzchniowym, a ciśnienie wewnątrz niej rośnie liniowo z głębokością zgodnie z zależnością p = ρ g z (lub p = p0 + ρ g h przy uwzględnieniu ciśnienia powierzchniowego).