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液体

用於敘述物質階段(P515)

液体（英语：Liquid）是物质的四个基本状态之一（其它状态有固体、气体、等离子体），没有固定的形状，但有一定体积，具有移动与转动等运动性。液体是由经分子间作用力结合在一起的微小振动粒子（例如原子和分子）组成。水是地球上最常见的液体。和气体一样，液体可以流动，可以容纳于各种形状的容器。有些液体不易被压缩，而有些则可以被压缩。和气体不同的是，液体不能扩散布满整个容器，而是有相对固定的密度。液体的一个与众不同的属性是表面张力，它可以导致浸润现象。

液体形状能受容器形状影响。
气体、液体、固体（由上而下）：不同的分子排列结构。

液体的密度通常接近于固体，而远大于气体。因此，液体和固体都被归为凝聚态物质。另一方面，液体和气体都可以流动，都可被称为流体。虽然液态水在地球上很丰富，但在已知的宇宙中，液态并不是最常见的物态。因为液体的存在需要相对较窄的温度和压强范围。宇宙中最常见的物态是气体（如星际云气）和等离子体（如恒星中）。

简介

 
一箱热水中加入冷水的热显像图，可以看到热水和冷水相互的流动

液体是物质的四个基本状态之一，其它基本状态为固体、气体及电浆体。与固体不同的是液体属于流体，液体中的分子自由度较高，可以移动。在固体中使分子固定不动的力，在液体中只是暂时性的，因此液体可以流动。

液体和气体一样都有流体的特质。液体没有一定的形状，会顺著容器的外形而改变，若是在密封容器中，容器每个表面都会受到相同的压强。液体和气体也有不同之处：气体一定可以和另一气体均匀混合，液体则不然，两种液体（例如水和油）可能无法均匀混合。液体也不会填满容器中所有的空间，会产生液体本身的表面，除非受到高压压缩，液体受压缩后的体积变化不大，因此液体适用在像水力学的应用中。

液体的粒子结合的非常牢固，但不是刚性结合，粒子之间有一定的自由度可以移动。温度上升时．分子的振动增加，使得分子之间的距离也会增加。当液体的温度到达沸点时，分子之间的内聚力消失，因此液体会转变为气体（除非出现过热情形）。当温度下降时，分子之间的距离减少。当温度低到凝固点时，分子会排列成一种特殊的形式．称为结晶，而分子之间的内聚力越来越强，液体会转变为固体（除非出现过冷情形）。

举例

常温常压下，只有2种元素单质呈液态：汞和溴。另有4种元素单质熔点略高于室温：钫（其推测的熔点高于室温）、铯（熔点28.44 °C）、镓（熔点29.7646 °C）和铷（熔点39.31 °C）[1]。室温下为液态的合金包括钠钾合金，易熔化的镓铟锡合金，及一些汞合金。

常温下呈液体的纯物质包括水、乙醇及许多有机溶剂。液态水在化学及生物学上相当重要，一般认为是生命存在必须的物质。

无机液体包括水、许多无机非水溶剂及无机酸。

日常会用到的液体中包括许多水溶液，例如家用的漂白水、像是矿物油及石油等不同物质的混合物、像蛋黄酱或油醋汁等乳浊液、像血之类的悬浊液，以及像油漆及牛奶等胶体。

许多气体可以用冷却的方式液化，产生像液氧、液氮、液氢、液氦及液氨等液体，但不是所有气体都可以在一般大气压下液化，像二氧化碳只能在高于5.1大气压的条件下液化。

一些物质无法归类到三种状态中的一种，它们同时具有类液体和类固体的性质。例如液晶和生物膜。

应用

液体有许多不同的用途，像是润滑、溶剂及冷却等。在液压系统中用液体来传输功率。

在磨润学中会研究液体当作润滑剂时的一些性质，润滑剂一般是特别选择的油，在操作温度范围内有适当的黏度及流动性。因为油类的润滑性质良好，常用在引擎、传动系统、金属加工以及液压系统中[2]。

许多的液体会用做溶剂，溶解其他液体或固体，形成溶液或胶体，可以用在涂料、密封剂（英语：sealant）及黏合剂上。在工业上常用石脑油及丙酮来清除零件及机械上的油类、油脂及焦油。体液是身体中的溶液或悬浊液，其主要成份是水。

表面活性剂常用在肥皂及清洁剂中，像乙醇等溶剂常用作抗微生物剂，液体也会用在化妆品、墨水及液态染料激光器中。液体也用在食品产业中，例如萃取植物油的制程。[3]

液体有比气体高的热导率，而且可以流动，因此液体适合用来将热量从机械元件中移除。热可以由让液体流过热交换器的方式移除，或者是让液体蒸发，带走热量.[4]。水或是乙二醇常用在引擎的散热系统，避免引擎过热[5]。核反应炉中用散热系统的冷媒包括水，以及像钠或铋等反应温度下为液态的金属[6]。液态推进剂会形成薄膜，冷却火箭的推进室[7]。在机械加工时．水和油用来移除在加工时产生的热量，若不移除热量，工件及刀具会快速的因高热受损。在流汗时，汗液中的水蒸发，带走皮肤的热量。在暖通空调（HVAC）中，常用水或其他液体作为工质，将热量由一处带到另一处。[8]

液体是液压系统中的重要元件，利用帕斯卡定律传递液压动力（英语：fluid power）。像泵浦及水车机械从古代就开始使用，可以将液体的运动和机械功之间进行转换。液压泵浦（英语：hydraulic pump）会对液压油施力，将力传递到液压缸中。在许多应用中都会用到液压系统，例如车辆煞车及传动，工程作业车辆及飞机的控制系统。液压冲床用在许多不同的应用中，包括生产制造、冲制工件、夹具及成形。[9]

液体有时也用在量测设备中，像温度计就是利用液体（例如汞）的热膨胀特性，以及可以流动的特性量测温度。压力计是利用液体的重量来量测气压。[10]

力学性质

体积

液体的量通常用体积度量。体积单位包括国际单位制的单位立方公尺（m3）以及其衍生单位，较常用的是也可以称为公升的立方公寸（1 dm3 = 1 L = 0.001 m3），以及也可以称为毫升的立方公分（1 cm3 = 1 mL = 0.001 L = 10−6 m3）。

一的定量液体的体积由其温度和压强决定。一般情况下，液体热胀冷缩，但水在0-4 °C时则相反。液体的压缩率很小，例如使水的密度增加1/1000需要200巴压强。在流体动力学的研究中，特别是在研究不可压缩流时，通常将液体视为不可压缩的。

压力和浮力

主条目：流体静力学

在引力场（也叫重力场）中，液体对容器壁和任何液体中的物体产生压力。这一压力指向各个方向，并随深度增加而增加。在均匀的引力场中，静止的液体在深度h处的压力p为：

 

这里

 为液体在该温度下的密度（假设为常数）
 为重力加速度

需要注意的是此公式假设自由表面处的压力为0，并且忽略了表面张力的影响。

主条目：浮力

浸入液体的物体受到浮力的作用。（在其他的流体中也有浮力作用，但由于液体密度大而特别显著）

表面

主条目：表面科学
 
水面上的表面波

除非液体的体积与密闭容器相等，液体会产生一个表面。液体表面像一层弹性膜，表面张力在其上产生，液滴和气泡也由此产生。表面波，毛细现象，浸润，表面张力波的形成也都与表面张力相关。

流动

主条目：流体力学和流体动力学

液体会受到剪应力及拉伸应力变形，而所产生的阻力则以黏度量度，换言之，黏力越低（黏滞系数低）的液体，具越佳流动性。 当液体过冷，向玻璃态转化时，黏度会急速上升，该液体会成为黏弹性的媒介，并具有固体的弹性及液体的流动性，而这个现象取决于观察的时间及扰动的频率。

声音传播

主条目：音速

在液体中，仅有的非零刚度是体积变形（液体不能保持剪切力）。因此，声音在液体中的传播速度为  ，这里K是流体的体积模量，ρ是密度。比如纯净水中的音速为c=1497m/s（在25℃时）。

热力学

相变

主条目：沸腾、沸点、熔化和熔点
 
典型的相图，点线是说明水的异常特性，绿线说明凝固点和压强的关系，蓝线说明沸点和压强的关系变化，红线表示可能出现升华或凝华的条件

当液体位于一个低于沸点的温度时，液体中的成份会蒸发，而气体的成份也会凝结，直到两者平衡为止，也就是气体凝结的速率等于液体蒸发的速率。因此若将一液体蒸发后的蒸气持续移除，液体最后一定会完全蒸发。若液体的温度到达沸点时，其蒸发的速率会比凝结的速度要快，温度到达或超过沸点的液体多半会沸腾，但有时会有液体温度超过沸点，但不会沸腾的情形，称为过热。

若液体的温度低于凝固点时，液体会开始结晶，转变为固体。这和液体转变为气体不同，在定压下没有相变化的平衡，因此只要没有出现过冷现象，液体最后会完全转变为固体。

增温或减压一般能使液体气化，成为气体，例如将水加温成水蒸气。加压或降温一般能使液体固化，成为固体，例如将水减温成冰。然而，仅加压并不能使所有气体液化，如氧，氢，氦等。

太空中的液体

在相图中，液态只出现在压强超过一定值的条件下，这也说明为何太空或其他真空中不会有液体。因为其压强为零（除非在行星或恒星的大气层或是内部），水或其他液态的物质在太空中会依其温度不同，可以会沸腾或是凝固。在靠近地球的太空中，若太阳没有照射到，太空中的水会结冰，若太阳有照射到，水就会沸腾汽化。在土星轨道附近的太空，因为太阳光太弱，无法使太空中的冰升华，像土星的土星环即为一例。

溶液

主条目：溶液

两液体之间可能会无法混溶，像义大利沙拉酱（英语：Italian dressing）中的水和植物油即为一例。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。若要将溶液等混合物中的各成份分离，需要透过分馏的技术。

微观性质

静态结构系数

 
典型单原子液体的结构，原子会和许多邻近的原子接触，但没有长程的有序性

在液体中，原子不会形成晶格，也没有任何长程的有序性，这可以从X射线绕射及中子衍射技术没有布拉格尖峰看出。在正常情形下，其绕射的讯号会有圆周的对称性，表示液体的各向同性，在径向的衍射强度会有轻微的振荡，可以用静态结构因子S(q)描述，其中q为波数q=(4π/λ)sinθ，由光子或中子的波长λ和布拉格角θ计算而得。S(q)的振荡表示液体中的“邻近度”，也就是和原子最近的一群原子其距离多远，和原子第二近的一群原子其距离多远……。

更直观的说明方式是径向分布函数g(r)，基本上是S(q)的傅里叶变换，是液体某一时刻对关联的空间平均值。

 
兰纳-琼斯势流体的径向分布函数

声音的散射和结构的弛豫

上述音速的公式 中包括体积模量 K。若K不随频率变化，则液体为线性介质（英语：linear medium），因此声音的传播不会耗散，也不会需要模式耦合（英语：mode coupling）。实际上，液体都会有少许的声频散：随著频率增加，K由低频类似液态的 转变为高频，类似固态的 。许多的液体，其切换都出现在GHz到THz的范围之间，有时称为过音频（hypersound）。

一般液体在GHz以下的频率中不会有剪应力：因此低频的剪切模量为 ，有时这也视为是液体的基本性质[11][12]。不过就像体积模量K一样，剪切模量G也会随频率变化，在过音频也会出现类似的现象，由类似液态的 变为类似固态，不为0的 。

参考文献

引用

  1. ^ Theodore Gray, The Elements: A Visual Exploration of Every Known Atom in the Universe New York: Workman Publishing, 2009 p.127 ISBN 978-1-57912-814-2
  2. ^ Theo Mang; Wilfried Dresel. Lubricants and Lubrication. John Wiley & Sons. 27 February 2007 [2014-08-01]. ISBN 978-3-527-61033-4. （原始内容存档于2020-07-26）. 
  3. ^ George Wypych. Handbook of Solvents. ChemTec Publishing. 2001: 847– [2014-08-02]. ISBN 978-1-895198-24-9. （原始内容存档于2021-04-18）. 
  4. ^ N. B. Vargaftik Handbook of thermal conductivity of liquids and gases CRC Press 1994 ISBN 978-0-8493-9345-7
  5. ^ Jack Erjavec Automotive technology: a systems approach （页面存档备份，存于互联网档案馆） Delmar Learning 2000 p. 309 ISBN 978-1-4018-4831-6
  6. ^ Gerald WendtThe prospects of nuclear power and technology D. Van Nostrand Company 1957 p. 266
  7. ^ Modern engineering for design of liquid-propellant rocket engines by Dieter K. Huzel, David H. Huang – American Institute of Aeronautics and Astronautics 1992 p. 99 ISBN 978-1-56347-013-4
  8. ^ Thomas E Mull HVAC principles and applications manual McGraw-Hill 1997 ISBN 978-0-07-044451-5
  9. ^ R. Keith Mobley Fluid power dynamics （页面存档备份，存于互联网档案馆） Butterworth-Heinemann 2000 p. vii ISBN 978-0-7506-7174-3
  10. ^ Bela G. Liptak Instrument engineers' handbook: process control （页面存档备份，存于互联网档案馆） CRC Press 1999 p. 807 ISBN 978-0-8493-1081-2
  11. ^ Max Born. On the stability of crystal lattices. I. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 1940/04, 36 (2): 160–172 [2018-04-03]. ISSN 1469-8064. doi:10.1017/s0305004100017138. （原始内容存档于2020-11-13） （英语）. 
  12. ^ Max Born. Thermodynamics of Crystals and Melting. The Journal of Chemical Physics: 591–603. [2018-04-03]. doi:10.1063/1.1750497. （原始内容存档于2020-06-10）. 

来源

书籍
  • J. P. Hansen, I. R. Mcdonald: Theory of simple Liquids. Elsevier Academic Press, 2006, ISBN 978-0-12-370535-8
  • M. P. Allen, D.J. Tildesly: Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, 1989, ISBN 978-0-19-855645-9

参见

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