مایع
مایع (به انگلیسی: Liquid) یکی از حالت‌ها میان شش حالت ممکن (جامد، مایع، گاز، پلاسما، چگالش بوز-انیشتین و چگال فرمیونی) برای ماده است که ماده می‌تواند به آن شکل باشد.
فاصله ذرات در ماده جامد بسیار نزدیک به یکدیگر است و به همین دلیل، جسم جامد، شکل و حجم مشخصی دارد؛ اما ذرات در مایع هنوز نزدیک یکدیگر قرار دارند، اما پیوند آن‌ها به اندازه‌ای محکم نیست که به مایع، همانند جسم جامد، شکل و حجم مشخصی بدهد. به بیان دیگر، ذرات در مایع آزادانه‌تر از ذرات در ماده جامد حرکت می‌کنند و بر روی یکدیگر می‌لغزند.
حالت‌های ماده به شش مورد جامد، مایع، گاز، پلاسما، چگالش بوز-انیشتین و چگال فرمیونی تقسیم می‌شوند. مایع حالتی از ماده با ویژگی‌های مخصوص به خود است. ویژگی‌های مایع سبب می‌شود که سختی آن نسبت به جامد کمتر و در مقایسه با گاز بیشتر باشد. مایع می‌تواند جریان یابد و شکل مشخصی مانند جامد ندارد. در واقع مایع شکل ظرفی را که داخل آن ریخته می‌شود به خود می‌گیرد. گرچه این ویژگی مایع به گاز شباهت دارد، اما مایع همانند گاز نمی‌تواند به طور کامل در ظرف پخش شود و تمام آن را پر کند.
آب، نفت، الکل و جیوه، مثال‌هایی از مایع در دمای اتاق (۲۰ درجه سلسیوس یا ۶۸ درجه فارنهایت) هستند. عبارت مایع، یکی از حالت‌های ماده، از شش حالت نام برده شده، را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، آب رایج‌ترین مایع روی زمین است و در حالت مایع، درصد قابل‌توجهی از سطح زمین را می‌پوشاند. آب، تنها در بازه دمایی صفر درجه سلسیوس (۳۲ درجه فارنهایت) تا ۱۰۰ درجه سلسیوس (۲۱۲ درجه فارنهایت) مایع است. آب در دماهای پایین‌تر از این بازه دمایی به حالت جامد (یخ) و در دماهای بالاتر از بازه دمایی گفته شده به حالت گاز (بخار آب) تبدیل می‌شود.
ساختار مولکولی آب چه در حالت جامد (یخ)، چه در حالت گاز (بخار آب) همانند ساختار مولکولی آن در حالت مایع است. یخ و بخار آب، هنوز آب هستند، اما در حالت‌های متفاوتی از ماده قرار دارند. ذرات تشکیل‌دهنده ماده در حالت جامد در فاصله بسیار نزدیکی نسبت به یکدیگر قرار دارند. از این‌رو، ذرات نمی‌توانند از جایگاه خود تا فاصله زیادی حرکت کنند. در مقابل، فاصله ذرات تشکیل‌دهنده مایع نسبت به جامد بیشتر است و ذرات، آزادی بیشتری برای حرکت به اطراف دارند.
به بیان دیگر، پیوند بین اتم‌ها و مولکول‌های ماده در حالت جامد بسیار محکم‌تر از حالت‌های مایع یا گاز است. شاید با خود بگویید ماده جامد، چگالی بزرگ‌تری نسبت به مایع دارد. اما این برداشت اشتباه است. تفاوت چگالی بین ماده جامد و مایع بسیار کوچک است و تقریبا می‌توان چگالی آن‌ها را یکسان در نظر گرفت. فاصله ذرات تشکیل‌دهنده گاز در مقایسه با حالت‌های مایع و جامد بسیار بیشتر است، به گونه‌ای که راحت‌تر می‌توانند در فضای در دسترس حرکت کنند.
هنگامی که به مایعی، مانند آب، گرما داده می‌شود، مولکول‌ها و اتم‌های تشکیل‌دهنده آن انرژی جنبشی به‌دست می‌آورند. اگر دما را به اندازه کافی افزایش دهیم، مایع به گاز تبدیل می‌شود یا با مواد شیمیایی موجود در محیط واکنش می‌دهد. به عنوان مثال، آب در اثر گرمای تدریجی به گاز یا بخار آب تبدیل می‌شود، اما الکل در اثر گرمای ناگهانی و ترکیب شدن با اکسیژن هوا، خواهد سوخت. اگر مایع سرد شود، مولکول‌ها یا اتم‌های تشکیل‌دهنده آن انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند. بنابراین، اگر دما به اندازه کافی پایین بیاید، مایع به جامد تبدیل خواهد شد.
ویژگی‌ها
ویژگی‌های کلی مایع، به عنوان یکی از حالت‌ها ماده، عبارت هستند از:
- مایع ماده‌ای است که ذرات آن هنوز در فاصله نزدیکی نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما پیوند بین آن‌ها به محکمی پیوند بین ذرات تشکیل‌دهنده جامد نیست.
- آزادی ذرات مایع به گونه‌ای است که به راحتی روی یکدیگر می‌لغزند و از کنار هم رد می‌شوند.
- انرژی ذرات تشکیل‌دهنده مایع کمی بیشتر از انرژی ذرات تشکیل‌دهنده مایع است. این بدان معنا است که ذراتِ داخل مایع راحت‌تر به اطراف حرکت می‌کنند.
- مایعات می‌توانند به داخل ظرف‌ها با شکل‌های مختلف ریخته شوند و شکل ظرف موردنظر را به خود بگیرند.
ویسکوزیته یا گرانروی
به مقاومت یک مایع در برابر اعمال تنش برشی، ویسکوزیته یا گرانروی گفته می‌شود. تنش برشی زیادتری لازم است تا در یک مایع با ویسکوزیته بالا، تغییر شکل یکسانی رخ دهد. نمونه‌ای از این مورد را می‌توان در مقایسه عسل با شیر بررسی کرد که گرانروی عسل بیشتر از شیر است. برای درک ویسکوزیته می‌توان سطح شیبداری را در نظر گرفته و شیر و عسل را روی این سطح شیبدار ریخت. در این سطح، شیر به راحتی پایین آمده ولی عسل به آرامی روی آن حرکت می‌کند.
به مقاومتی که یک سیال در برابر حرکت از خود نشان می‌دهد، گرانروی می‌گویند. سیال می‌تواند مایع و یا گاز بوده و به وجود آمدن مقاومت در حالتی خواهد بود که حرکت نسبی بین لایه‌های سیال وجود داشته باشد. به عبارتی می‌توان گفت که به اصطکاک داخلی بین لایه های سیال، گرانروی می‌گویند. اما این کمیت تحت تاثیر دما است؛ به طوری که با افزایش دما، میزان گرانروی کم شده ولی با کاهش دما، گرانروی افزایش میابد.
گرانروی شاره‌ای بزرگتر، به دلیل تشکیل اصطکاک داخلی در نتیجه‌ی نیروهای بین مولکولی قوی، مقاومت بیشتری در برابر حرکت خواهد داشت. در نتیجه‌ی این فرایند، لایه‌های شاره نمی‌توانند به راحتی نسبت به یکدیگر حرکت کنند. اما وقتی گرانروی کوچک باشد، به دلیل وجود نیروهای بین مولکولی ضعیف، جریان سیالی آسان‌تری را ایجاد می‌کند. در نتیجه، لایه‌ها به راحتی می‌توانند حرکت کنند، زیرا اصطکاک ایجاد شده بین لایه‌های شاره کوچک خواهد بود.
واحد
پوازیه یا پوآز واحدی است که برای بیان اندازه مقاومت یک سیال در برابر حرکت به کار برده می‌شود. از واحدهای دیگری که برای بیان گرانروی به کار می‌رود، نیوتن – ثانیه بر متر مربع و پاسکال – ثانیه است.
انواع
دینامیکی
همان خاصیتی از یک سیال که مقاومت در برابر جریان‌های برشی ایجاد می‌کند، به نام ویسکوزیته مطلق و یا ویسکوزیته دینامیکی است. به نیروی بین مولکولی ذرات تشکیل دهنده یک سیال نیز گرانروی مطلق می‌گویند. واحدی که در بالا برای ویسکوزیته بیان شد، برای ویسکوزیته مطلق نیز استفاده می‌شود. جریان‌های برشی در جایی که سرعت‌های مختلفی برای لایه‌های سیال باشد، به وجود می‌آیند. مثالی که برای درک بهتر این نوع گرانروی به کار می‌رود، جریان کوئت است.
سیال در جریان کوئت بین دو صفحه‌ای قرار گرفته است که صفحه بالایی در این سیستم با سرعت ثابتی در حال حرکت است. حرکت ذرات در این نوع جریان به صورت موازی با صفحه خواهد بود و زمانی که اندازه سرعت صفحه بالایی به حد کافی کوچک باشد، با توجه به متفاوت بودن سرعت حرکت ذرات سیال روی یکدیگر، نیرویی که لازم است تا سیال حرکت کند، متفاوت خواهد بود. به عبارتی وقتی سرعت سیال بالا باشد، نیرو نیز زیاد می‌شود. در نتیجه در سیال نیوتنی، بین تنش و گرادیان سرعت، رابطه خطی وجود دارد. ویسکوزیته خطی برای ایجاد این رابطه خطی نیاز است.
سینماتیک یا جنبشی
از تقسیم ویسکوزیته دینامیکی به چگالی، ویسکوزیته جنبشی و یا سینماتیک به دست می‌آید. این نوع ویسکوزیته با واحد مترمربع بر ثانیه در SI بیان می‌شود. واحد دیگری که به نام استوکس نامیده می‌شود، سانتی‌متر مربع بر ثانیه بوده و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر متر مربع بر ثانیه برابر با ۱۰۰۰۰ استوکس است. از واحدهای رایج دیگر برای این کمیت، میلی‌متر مربع بر ثانیه یا سنتی استوکس است.
بالک
نمونه دیگری از ویسکوزیته به نام بالک وجود دارد که در سیال تراکم‌پذیری ایجاد می‌شود که دچار انبساط و یا انقباض ناگهانی بدون برش می‌شود. یکی از خواص این نوع ویسکوزیته، متناسب بودن آن با نرخ افزایش و یا کاهش حجم است. به ویسکوزیته بالک، گرانروی نوع دوم نیز گفته می‌شود. جریان‌های صوتی و شاک‌ها مثال‌هایی هستند که در آن ها به طور ناگهانی، حجم تغییر می‌کند و دارای ویسکوزیته بالک هستند.
کشش سطحی
نیروی چسبندگی بین مولکول‌ها که سبب می‌شود سطح مایع به صورت پیوسته کشیده شود، کشش سطحی نامیده می‌شود.
نیروی چسبندگی سطحی
نیروهایی هستند که مولکول‌های یک ماده را به سوی مولکول‌های یک ماده دیگر می‌کشند. این نیروها سبب می‌شوند که مایع به سطح ظرف چسبیده و آن را تر کند. برای مثال اگر کمی آب روی سطح شیشه بریزیم آب سطح شیشه را تر می‌کند، علت آن است که مولکول‌های آب در مجاور شیشه با نیروی چسبندگی سطحی از طرف شیشه و از سوی دیگر با نیروی چسبندگی از طرف سایر مولکول‌های آب کشیده می‌شوند. چون نیروهای چسبندگی سطحی بین مولکول‌های آب و مولکول‌های شیشه بزرگتر از نیروهای چسبندگی بین مولکول‌های آب است.
مولکول‌های آب به شیشه می‌چسبند و می‌گوییم آب شیشه را تر می‌کند. با چرب کردن سطح شیشه نیروهای چسبندگی بین مولکول‌های آب سبب می‌شود که آب به صورت قطره درآید. نیروی چسبندگی موجود بین مولکول‌های جیوه سبب می‌شود که جیوه حتی روی سطح شیشه‌ای تمیز نیز به شکل قطره درآید. چون نیروهای چسبندگی سطحی بین جیوه و شیشه ضعیف‌اند، جیوه شیشه را تر نمی‌کند.
خاصیت مویینگی
پدیده مویینگی خاصیتی از مایعات است که سبب بالا رفتن مایع در لوله های باریک مایعات می‌شود.
هر گاه قسمتی از یک لوله با قطر کم (لوله مویین) را به طور عمودی وارد یک مایع کنیم با توجه به نوع مایع و اینکه مایع لوله مویین را تر می‌کند یا نه، مایع در لوله بالا یا پایین می‌رود.
اگر سطح لوله مویین را با روغن چرب کنیم و آن را در ظرف آب فرو ببریم، رفتاری مانند جیوه انجام می‌دهد. چون نیروی چسبندگی سطحی بین مولکول‌های آب و شیشه کاهش می‌یابد و کمتر از نیروی هم چسبی مولکول‌های آب می‌شود.
یکی از دلایل بالا رفتن آب و به همراه آن مواد معدنی در گیاه‌ها و درخت‌ها همین اثر مویینگی است.( البته دلایل دیگری نیز در بالا رفتن آب در درخت‌ها وجود دارد و فقط مویینگی به تنهایی نمی‌تواند موجب آن شود.)
اثر مویینگی موجب کشیده شدن آب به داخل ساختمان‌ها از طریق روزنه‌های موجود در مصالح ساختمانی می‌شود. به همین دلیل ساختمان‌ها را عایق‌بندی می‌کنند.