Dung dịch là một chất lỏng gần như không nén, thay đổi hình dạng để phù hợp với vật chứa nhưng giữ khối lượng ổn định không phụ thuộc vào áp suất. Đây là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất (các trạng thái khác là rắn, khí và plasma), và là trạng thái duy nhất có thể tích xác định nhưng không có hình dạng cố định. Chất lỏng được cấu thành từ các hạt vật chất dao động rất nhỏ, chẳng hạn như nguyên tử, liên kết với nhau bằng các liên kết phân tử. Tương tự như khí, chất lỏng có thể chảy và nhận hình dạng của vật chứa. Hầu hết các chất lỏng không bị nén, mặc dù một số có thể bị nén. Khác với khí, chất lỏng không lan ra để lấp đầy toàn bộ không gian của vật chứa và duy trì mật độ khá ổn định. Một đặc điểm nổi bật của trạng thái lỏng là sức căng bề mặt, dẫn đến hiện tượng thấm ướt. Nước là chất lỏng phổ biến nhất trên Trái Đất.
Mật độ của chất lỏng thường gần bằng mật độ của chất rắn và cao hơn nhiều so với chất khí. Do đó, cả chất lỏng và chất rắn đều được gọi là vật chất ngưng tụ. Ngược lại, vì chất lỏng và chất khí đều có khả năng chảy, nên cả hai đều được coi là chất lưu. Mặc dù nước lỏng rất phổ biến trên Trái Đất, trạng thái vật chất này lại ít gặp trong vũ trụ, vì chất lỏng cần một phạm vi nhiệt độ/áp suất khá hẹp để tồn tại. Hầu hết các vật chất trong vũ trụ chủ yếu ở trạng thái khí (với một số dấu vết của vật chất rắn) như các đám mây giữa các vì sao hoặc ở dạng plasma từ bên trong các ngôi sao.
Giới thiệu
Chất lỏng là một trong bốn trạng thái cơ bản của vật chất, cùng với chất rắn, chất khí và plasma. Chất lỏng là một chất lưu, khác với chất rắn, các phân tử trong chất lỏng có khả năng chuyển động tự do hơn nhiều. Trong chất lỏng, lực liên kết các phân tử không mạnh mẽ như trong chất rắn, cho phép chất lỏng chảy trong khi chất rắn vẫn giữ nguyên hình dạng.
Chất lỏng, giống như chất khí, có các đặc tính của chất lưu. Chất lỏng có thể chảy và lấy hình dạng của vật chứa, và khi được đặt trong một thùng kín, nó phân phối áp suất đều lên tất cả các bề mặt bên trong. Nếu chất lỏng được đặt trong một túi, nó có thể được ép thành bất kỳ hình dạng nào. Khác với chất khí, chất lỏng gần như không thể nén và giữ thể tích gần như không thay đổi trong một dải áp suất rộng; nó không lan ra để lấp đầy không gian trong thùng chứa mà tạo thành bề mặt riêng của nó và không phải lúc nào cũng dễ dàng trộn lẫn với các chất lỏng khác. Những đặc tính này làm cho chất lỏng lý tưởng cho các ứng dụng như hệ thống thủy lực.
Các hạt trong chất lỏng được liên kết chắc chắn nhưng không hoàn toàn cố định. Chúng có khả năng di chuyển tự do xung quanh nhau, dẫn đến sự linh hoạt hạn chế trong chuyển động. Khi nhiệt độ tăng lên, dao động của các phân tử gia tăng, khiến khoảng cách giữa chúng cũng tăng theo. Khi chất lỏng đạt đến điểm sôi, các liên kết giữa các phân tử bị phá vỡ và chất lỏng chuyển thành trạng thái khí (trừ khi có hiện tượng quá nhiệt). Nếu nhiệt độ giảm, khoảng cách giữa các phân tử giảm xuống. Khi chất lỏng đạt điểm đông đặc, các phân tử thường sẽ xếp thành cấu trúc rất cụ thể gọi là kết tinh, làm cho các liên kết trở nên cứng hơn và chuyển chất lỏng thành chất rắn (trừ khi có hiện tượng siêu lạnh).
Ví dụ
Có hai nguyên tố tồn tại ở dạng chất lỏng dưới điều kiện tiêu chuẩn về nhiệt độ và áp suất: thủy ngân và brom. Bốn nguyên tố khác có nhiệt độ nóng chảy cao hơn một chút so với nhiệt độ phòng là franci, xêzi, gali và rubidi. Các hợp kim kim loại có thể ở trạng thái lỏng tại nhiệt độ phòng bao gồm NaK (hợp kim natri-kali), galinstan (hợp kim dễ chảy) và một số hỗn hống (hợp kim có chứa thủy ngân).
Những chất lỏng tinh khiết dưới điều kiện bình thường bao gồm nước, etanol và nhiều dung môi hữu cơ khác. Nước ở trạng thái lỏng có vai trò quan trọng trong hóa học và sinh học, và được coi là yếu tố thiết yếu cho sự sống.
Chất lỏng vô cơ bao gồm nước, magma, dung môi không nước vô cơ và nhiều loại axit.
Những chất lỏng quan trọng trong cuộc sống hàng ngày bao gồm dung dịch nước như chất tẩy rửa gia đình, hỗn hợp của các chất khác nhau như dầu khoáng và xăng, nhũ tương như giấm hoặc mayonnaise, huyền phù như máu, và chất keo như sơn và sữa.
Nhiều loại khí có thể được chuyển thành chất lỏng bằng cách làm lạnh, như oxy lỏng, nitơ lỏng, hydro lỏng và heli lỏng. Tuy nhiên, không phải tất cả các khí đều có thể bị hóa lỏng ở áp suất khí quyển. Chẳng hạn, carbon dioxide chỉ có thể chuyển thành chất lỏng khi áp suất vượt quá 5,1 atm.
Một số vật liệu không thể được phân loại vào ba trạng thái vật chất cổ điển; chúng mang đặc tính của cả chất rắn và chất lỏng. Ví dụ là các tinh thể lỏng, được sử dụng trong màn hình LCD và màng sinh học.
Đặc điểm
Hình dạng của chất lỏng được xác định bởi vật chứa của nó, do đó, các hạt trong chất lỏng (thường là các phân tử) có thể di chuyển tự do, nhưng chúng tạo thành một bề mặt không nhất thiết phải giống hình dạng của bình chứa. Khác với chất khí, hình dạng của chất lỏng không hoàn toàn khớp với hình dạng của vật chứa.
Khi nhiệt độ thấp hơn điểm sôi, chất lỏng sẽ bốc hơi cho đến khi nồng độ hơi đạt trạng thái cân bằng áp suất riêng phần trong khí quyển, trừ khi bình chứa được đậy kín. Vì lý do này, không có chất lỏng nào tồn tại trong môi trường chân không hoàn toàn. Bề mặt chất lỏng hoạt động như một lớp màng đàn hồi nhờ vào sức căng bề mặt, giúp tạo ra các giọt và bong bóng. Hiện tượng mao dẫn là một ví dụ của sức căng bề mặt. Chỉ chất lỏng mới có tính chất không hòa tan và dính ướt. Ví dụ phổ biến về hỗn hợp hai chất lỏng không hòa tan là dầu thực vật và nước, trong khi nước và rượu là những chất lỏng có thể hòa tan với nhau. Khi đạt đến điểm sôi, chất lỏng chuyển thành khí (trừ khi bị đun quá sôi) và tại điểm đông, nó chuyển thành chất rắn (trừ khi bị làm lạnh quá mức). Ngay cả dưới điểm sôi, chất lỏng vẫn bốc hơi từ bề mặt của nó. Hiện tượng nổi của các vật thể khi được nhúng vào chất lỏng cũng được quan sát trong các chất lưu khác, nhưng đặc biệt đáng chú ý trong chất lỏng do tỷ trọng cao của chúng. Các thành phần của chất lỏng trong hợp chất có thể được tách ra qua quá trình chưng cất phân đoạn.
Thể tích của một lượng chất lỏng được xác định bởi nhiệt độ và áp suất của nó. Nếu thể tích này không khớp hoàn toàn với thể tích của bình chứa, cần xem xét các bề mặt của chất lỏng. Dưới tác động của trọng lực, chất lỏng tạo áp suất lên các bề mặt của bình và các vật thể bên trong, với áp suất này lan tỏa theo tất cả các hướng và gia tăng khi càng xuống sâu. Trong nghiên cứu động lực học chất lưu, chất lỏng thường được coi là không nén, đặc biệt là trong nghiên cứu dòng chảy không nén.
Khi chất lỏng chỉ chịu tác động của trọng lực, áp suất tại một điểm được xác định bởi
với:
- = mật độ của chất lỏng (thường được coi là hằng số)
- = gia tốc do trọng lực
- = độ sâu của điểm tính từ mặt thoáng.
Công thức trên dùng để tính áp suất tại một điểm với áp suất mặt thoáng là 0 và không tính đến sự ảnh hưởng của sức căng bề mặt. Các chất lỏng thường giãn nở khi bị làm nóng và co lại khi bị làm lạnh. Nước trong khoảng nhiệt độ từ 0 °C đến 4 °C là một trường hợp đặc biệt; đó là lý do các tảng băng nổi. Chất lỏng có độ nén rất thấp: chẳng hạn, tỷ trọng của nước chỉ thay đổi một cách đáng kể khi áp suất lên đến hàng trăm bar. Ví dụ, dưới áp suất 4000 bar (58.000 psi), nước chỉ giảm 11% khối lượng.
Những chất lỏng thường gặp khác bao gồm dầu khoáng, dầu hỏa, và các hỗn hợp như sữa, máu và các dung dịch gốc nước khác như thuốc tẩy. Chỉ có sáu nguyên tố tồn tại ở dạng lỏng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất phòng: thủy ngân (chất lỏng đặc), brom, franci, xêzi, gali và rubidi. Trong nghiên cứu về sự định cư trên các hành tinh, nước lỏng được coi là yếu tố cần thiết cho sự tồn tại của sự sống.
Tính chất cơ học
Thể tích
Lượng chất lỏng thường được đo bằng thể tích với đơn vị SI là mét khối (m³), nhưng các đơn vị phổ biến hơn là đề-xi-mét khối (dm³), hay còn gọi là lít (1 l = 1 dm³ = 0.001 m³), và xăng-ti-mét khối (cm³), hay mi-li-lít (1 ml = 1 cm³ = 0.001 l = 10 m³).
Thể tích của chất lỏng được xác định bởi nhiệt độ và áp suất của nó. Chất lỏng thường mở rộng khi được đun nóng và co lại khi lạnh. Nước trong khoảng từ 0 °C đến 4 °C là một ngoại lệ đặc biệt.
Chất lỏng có khả năng nén rất thấp. Ví dụ, nước chỉ giảm 46,4 phần triệu thể tích cho mỗi đơn vị tăng áp suất khí quyển (bar). Ở áp suất khoảng 4000 bar (400 megapascal hoặc 58.000 psi) ở nhiệt độ phòng, nước chỉ giảm 11% thể tích. Đặc tính này làm cho chất lỏng rất thích hợp để truyền công suất thủy lực, vì sự thay đổi áp suất tại một điểm được truyền đến mọi phần khác của chất lỏng một cách đồng đều và rất ít năng lượng bị mất do nén.
Tuy nhiên, khả năng nén thấp dẫn đến một số hiện tượng khác. Hiện tượng búa nước xảy ra khi một van đóng đột ngột, gây ra áp suất cực lớn tại van truyền ngược trong hệ thống với vận tốc âm thanh. Một hiện tượng khác do sự không nén được của chất lỏng là sự xâm thực. Chất lỏng, vì ít đàn hồi, có thể bị kéo dài ở những khu vực có độ nhiễu loạn cao hoặc thay đổi đột ngột, như ở mép sau của chân vịt hoặc góc nhọn trong ống. Chất lỏng trong vùng áp suất thấp (chân không) sẽ bốc hơi và tạo thành bong bóng, sau đó xẹp xuống khi vào vùng áp suất cao. Điều này dẫn đến việc chất lỏng lấp đầy các hốc do bong bóng để lại với lực cục bộ cực lớn, gây xói mòn bất kỳ bề mặt rắn nào liền kề.
Áp suất và sức nổi
Trong một trường hấp dẫn, chất lỏng tạo áp suất lên các bề mặt của vật chứa cũng như các vật thể nằm trong chất lỏng. Áp suất này lan tỏa theo mọi hướng và gia tăng theo độ sâu. Nếu chất lỏng đứng yên trong một trọng trường đều, áp suất ở độ sâu được tính bằng
trong đó
- là áp suất tại mặt thoáng
- là khối lượng riêng của chất lỏng, giả định không thay đổi theo độ sâu
- là gia tốc trọng trường
Đối với một vùng nước tiếp xúc với không khí, tương ứng với áp suất khí quyển.
Khi chất lỏng đứng yên trong một trường hấp dẫn, hiện tượng nổi sẽ xảy ra khi các vật thể bị chìm trong chất lỏng chịu lực nổi do sự chênh lệch áp suất theo độ sâu. Độ lớn của lực này tương đương với trọng lượng của lượng chất lỏng bị vật thể chiếm chỗ, và hướng của lực tùy thuộc vào khối lượng riêng của vật. Nếu khối lượng riêng của vật nhỏ hơn so với chất lỏng, lực nổi hướng lên và vật sẽ nổi, ngược lại, nếu khối lượng riêng của vật lớn hơn, lực nổi hướng xuống và vật sẽ chìm. Đây chính là nguyên tắc Archimedes.
Bề mặt
Khi thể tích của chất lỏng không hoàn toàn khớp với thể tích của vật chứa, sẽ xuất hiện một hoặc nhiều bề mặt. Bề mặt này tạo ra các hiện tượng mới không thấy trong khối chất lỏng lớn. Điều này xảy ra vì các phân tử ở bề mặt chỉ liên kết với các phân tử bên trong, dẫn đến lực kéo các phân tử bề mặt vào trong. Tương tự, lực này có thể được xem như năng lượng: việc tạo ra bề mặt của một khu vực nhất định tiêu tốn một lượng năng lượng cố định. Đây là thuộc tính vật lý gọi là sức căng bề mặt, đo bằng năng lượng trên một đơn vị diện tích (đơn vị SI: J/m²). Chất lỏng với lực liên phân tử mạnh thường có sức căng bề mặt cao hơn.
Sức căng bề mặt khiến chất lỏng có xu hướng giảm diện tích bề mặt của nó, tạo thành các giọt và bong bóng hình cầu khi không có yếu tố ràng buộc khác. Ngoài ra, sức căng bề mặt còn gây ra nhiều hiện tượng khác như sóng bề mặt, mao dẫn, thấm ướt và gợn sóng. Trong chất lỏng có kích thước nano, các hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng hơn vì tỷ lệ phân tử gần bề mặt lớn hơn nhiều so với mẫu chất lỏng lớn hơn.
Sức căng bề mặt của chất lỏng tác động trực tiếp đến khả năng thấm ướt của nó. Thông thường, các chất lỏng có lực căng dao động trong khoảng hàng chục mJ/m, vì vậy các giọt dầu, nước hoặc keo dễ dàng kết hợp và bám vào các bề mặt khác. Ngược lại, kim loại lỏng như thủy ngân có thể có lực căng lên đến hàng trăm mJ/m, khiến cho các giọt khó kết hợp và bề mặt chỉ có thể ướt trong những điều kiện cụ thể.
Căng thẳng bề mặt của các chất lỏng thông thường nằm trong một phạm vi giá trị khá hẹp, điều này trái ngược với sự thay đổi rộng rãi thấy ở các đặc tính cơ học khác như độ nhớt.
Dẫn lưu
Độ nhớt là một thuộc tính vật lý quan trọng liên quan đến dòng chảy của chất lỏng. Nó miêu tả một cách trực quan khả năng của chất lỏng trong việc chống lại sự chuyển động.
Về mặt kỹ thuật, độ nhớt đo lường mức độ chống lại sự biến dạng của chất lỏng ở một tốc độ nhất định, chẳng hạn như khi chất lỏng bị cắt ở vận tốc cụ thể. Ví dụ, khi chất lỏng chảy qua một ống, nó trải qua biến dạng cắt vì tốc độ chảy gần thành ống chậm hơn so với gần trung tâm ống. Do đó, nó thể hiện khả năng chống chảy của chất lỏng. Để duy trì dòng chảy, cần có một lực tác dụng từ bên ngoài, như sự chênh lệch áp suất giữa hai đầu ống.
Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của chất lỏng sẽ giảm.
Việc kiểm soát độ nhớt chính xác rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công nghiệp bôi trơn. Một phương pháp để kiểm soát độ nhớt là trộn hai hoặc nhiều chất lỏng với độ nhớt khác nhau theo tỷ lệ chính xác. Bên cạnh đó, có các chất phụ gia giúp điều chỉnh độ nhớt của dầu bôi trơn tùy thuộc vào nhiệt độ. Khả năng này rất quan trọng vì máy móc thường hoạt động trong một dải nhiệt độ nhất định (tham khảo chỉ số độ nhớt).
Chất lỏng có thể có tính chất nhớt là Newton hoặc không Newton. Chất lỏng Newton thể hiện một đường cong ứng suất / biến dạng tuyến tính, nghĩa là độ nhớt của nó không thay đổi theo thời gian, tốc độ cắt hoặc lịch sử cắt. Các ví dụ về chất lỏng Newton bao gồm nước, glycerin, dầu máy, mật ong hoặc thủy ngân. Ngược lại, chất lỏng không Newton có độ nhớt thay đổi theo các yếu tố này và có thể trở nên đặc hơn (tăng độ nhớt) hoặc loãng hơn (giảm độ nhớt) khi bị cắt. Các ví dụ về chất lỏng không Newton là tương cà, sốt mayonnaise, gel ủ tóc, bột nặn hoặc dung dịch tinh bột.
Độ co giãn khi bị giới hạn
Chất lỏng bị hạn chế có thể thể hiện các đặc tính cơ học khác biệt so với chất lỏng bình thường. Chẳng hạn, khi chất lỏng bị giữ lại trong các khe hẹp dưới milimét (như giữa các bức tường cứng), nó có thể phản ứng giống như chất rắn và có mô đun cắt đàn hồi tần số thấp rất lớn, tỷ lệ theo lũy thừa nghịch đảo của chiều dài khe hẹp.
Truyền âm thanh
Tốc độ truyền âm trong chất lỏng được tính bằng công thức , trong đó là mô đun khối của chất lỏng và là mật độ. Ví dụ, nước có mô đun khối khoảng 2,2 GPa và mật độ 1000 kg/m³, dẫn đến tốc độ âm thanh c = 1,5 km/s.
Ứng dụng
Chất lỏng có nhiều ứng dụng quan trọng như trong bôi trơn, làm dung môi, và chất làm lạnh. Trong hệ thống thủy lực, chất lỏng được sử dụng để truyền tải năng lượng.
Trong nghiên cứu chuyển động giữa các bề mặt, các chất lỏng được kiểm tra để xác định tính chất của chúng khi dùng làm chất bôi trơn. Các chất bôi trơn như dầu được chọn vì độ nhớt và khả năng chảy ổn định trong khoảng nhiệt độ làm việc của các bộ phận. Loại dầu này thường được sử dụng trong động cơ, hộp số, gia công chi tiết máy và hệ thống thủy lực nhờ vào khả năng bôi trơn hiệu quả.
Nhiều chất lỏng được dùng làm dung môi để hòa tan các chất khác hoặc chất rắn. Các dung dịch này có ứng dụng rộng rãi trong sơn, keo dán, và công nghiệp làm sạch như naptha và acetone để loại bỏ dầu, mỡ, và nhựa khỏi các bộ phận máy móc. Dịch cơ thể là những dung dịch gốc nước.
Chất hoạt động bề mặt thường có mặt trong xà phòng và chất tẩy rửa. Các dung môi như alcohol còn được sử dụng làm chất kháng sinh và xuất hiện trong mỹ phẩm, mực, và laser nhuộm lỏng. Chúng cũng được áp dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm để chiết xuất dầu thực vật.
Chất lỏng dẫn nhiệt tốt hơn so với chất khí và có khả năng tạo ra dòng chảy để giải nhiệt cho các bộ phận cơ khí. Nhiệt có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng kênh chất lỏng đi qua bộ giải nhiệt hoặc bằng quá trình bốc hơi của chất lỏng. Các chất làm mát như nước hoặc glycol giúp duy trì nhiệt độ động cơ. Trong các lò phản ứng hạt nhân, nước và kim loại lỏng như natri hoặc bismuth được dùng làm chất làm mát. Nhiên liệu đẩy lỏng cũng được dùng để làm mát các buồng đốt tên lửa. Trong gia công, nước và dầu giúp loại bỏ nhiệt dư, ngăn ngừa hỏng hóc cho cả chi tiết gia công và dụng cụ. Mồ hôi giúp cơ thể con người giảm nhiệt bằng cách làm bay hơi. Trong ngành HVAC, các chất lỏng như nước được dùng để chuyển nhiệt từ khu vực này sang khu vực khác.
Chất lỏng thường được sử dụng trong nấu ăn nhờ vào khả năng truyền nhiệt tốt hơn. Chúng có độ nhớt động học thấp và dễ dàng truyền nhiệt qua đối lưu ở nhiệt độ khá ổn định, làm cho chúng lý tưởng cho các phương pháp như chần, đun sôi hoặc chiên. Khi chất lỏng sôi, tất cả nhiệt năng được dùng để chuyển đổi từ chất lỏng sang chất khí mà không làm tăng nhiệt độ, và năng lượng này được lưu trữ dưới dạng thế năng hóa học. Khi chất khí ngưng tụ thành chất lỏng, nhiệt năng dư thừa được giải phóng mà không thay đổi nhiệt độ. Hiện tượng này được ứng dụng trong các phương pháp như hấp. Do chất lỏng có điểm sôi khác nhau, các hỗn hợp hoặc dung dịch có thể được tách ra bằng chưng cất, sử dụng nhiệt, lạnh, chân không, áp suất hoặc các phương pháp khác. Quá trình chưng cất xuất hiện trong sản xuất đồ uống có cồn, lọc dầu và chưng cất đông lạnh các khí như argon, oxy, nitơ, neon hoặc xenon.
Chất lỏng là phần thiết yếu trong hệ thống thủy lực, nơi chúng sử dụng định luật Pascal để cung cấp năng lượng. Từ thời cổ đại, các thiết bị như máy bơm và bánh xe nước đã được sử dụng để chuyển đổi chuyển động của chất lỏng thành chuyển động cơ học. Dầu được bơm qua các bơm thủy lực và truyền lực này đến các xi lanh thủy lực. Hệ thống thủy lực có mặt trong nhiều ứng dụng như phanh và hộp số ô tô, thiết bị hạng nặng và hệ thống điều khiển máy bay. Máy ép thủy lực cũng được sử dụng rộng rãi trong sửa chữa và sản xuất để nâng, ép, kẹp và tạo hình.
Chất lỏng đôi khi được sử dụng trong các thiết bị đo lường. Nhiệt kế sử dụng sự giãn nở nhiệt của chất lỏng, như thủy ngân, kết hợp với khả năng chảy của chúng để đo nhiệt độ. Áp kế sử dụng trọng lượng của chất lỏng để đo áp suất không khí.
- Điểm sôi của chất lỏng
- Chất lỏng đa pha
- Độ nhớt
- Sức căng bề mặt
- Âm quang, phát ra tia sáng nhanh từ các bong bóng vỡ trong chất lỏng khi kích thích bằng sóng âm.
Trạng thái vật chất | ||
---|---|---|
Trạng thái |
| |
Năng lượng thấp |
| |
Năng lượng cao |
| |
Các trạng thái khác |
| |
Chuyển pha |
| |
Đại lượng |
| |
Khái niệm |
| |
Danh sách |
|