1.1: Що таке рідина?

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18066

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Флюїди

Що таке рідина? Майже все, що ми обговоримо, - це м'яка речовина при фізіологічних температурних умовах: рідини і розчини, цитоплазма і цитозол, ДНК і білки в розчині, мембрани, міцели, колоїди, гелі... Всі ці матеріали в деякому відношенні можна вважати рідиною. Отже, що таке рідина?

Речовина, яка тече, деформується і змінює форму, коли піддається сила, або напруга.
Він не має фіксованої форми, але пристосовує свою поверхню до форми своєї ємності. Гази також є рідинами, але ми зупинимося на рідинях, які в основному нестисливі.

Для фізиків рідини зазвичай асоціюються з потоком - нерівноважною властивістю - і тим, як матерія реагує на сили (тобто «ньютонівські рідини»). Ця тема—"реологія"—буде розглянута більш детально пізніше. З цієї точки зору все м'яке згущене молоко можна вважати рідиною. Для хіміків рідини найчастіше з'являються у вигляді рідин і розчинів. Хіміки зазвичай використовують молекулярний опис для розчиненої речовини, але менше для розчинника. Однак хіміки чітко розуміють, як рідини впливають на хімічну поведінку та реакційну здатність, тему, яку зазвичай називають «сольвація». Найбільш поширеною перспективою рідин є безперервні діелектричні середовища, однак рідини можуть бути багатокомпонентними гетерогенними сумішами. Для наших біофізичних цілей ми використовуємо наведені вище перспективи, з особливим інтересом до унікальної біологічної рідини: води. Оскільки нас особливо цікавлять молекулярно-масштабні явища, додамо деякі додаткові критерії:

Склад: Рідини - це щільні середовища, що складаються з твердих частинок (атомів, молекул, білків...), які можуть взаємодіяти один з одним. Оскільки жодні дві частинки не можуть займати однаковий об'єм, кожна частинка в рідині має «виключений обсяг», який недоступний для решти частинок в системі.
«Структура»: Рідини структуруються локально за шкалою відстані розміру частинок шляхом їх упаковки та когезійних взаємодій, але макроскопічно невпорядковані.
Середній діапазон або мезомасштабні відстані включають взаємодію між декількома частинками, що призводить до корельованих рухів складових.
«Потік» є проявом цих корельованих структурних рухів в мезомасштабній структурі.
Найважливіше: сили зчеплення (міжмолекулярні взаємодії) між складовими рідини та енергетичні бар'єри для зміни структури знаходяться на порядку\(k_B T\) («теплова енергія»). Теплових сил вистачає, щоб викликати мимовільний потік на мікроскопічному рівні навіть при рівновазі.

Рідини можуть здаватися інваріантними в часі при рівновазі, але вони мікроскопічно динамічні. У багатьох випадках «структура» (позиціонування складових у просторі) та «динаміка» (залежні від часу зміни положення) тісно пов'язані між собою.