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液體

用於敘述物質階段(P515)

液體（英語：Liquid）是物質的四個基本狀態之一（其它狀態有固體、氣體、等離子體），沒有固定的形狀，但有一定體積，具有移動與轉動等運動性。液體是由經分子間作用力結合在一起的微小振動粒子（例如原子和分子）組成。水是地球上最常見的液體。和氣體一樣，液體可以流動，可以容納於各種形狀的容器。有些液體不易被壓縮，而有些則可以被壓縮。和氣體不同的是，液體不能擴散佈滿整個容器，而是有相對固定的密度。液體的一個與眾不同的屬性是表面張力，它可以導致浸潤現象。

液體形狀能受容器形狀影響。
氣體、液體、固體（由上而下）：不同的分子排列結構。

液體的密度通常接近於固體，而遠大於氣體。因此，液體和固體都被歸為凝聚態物質。另一方面，液體和氣體都可以流動，都可被稱為流體。雖然液態水在地球上很豐富，但在已知的宇宙中，液態並不是最常見的物態。因為液體的存在需要相對較窄的溫度和壓強範圍。宇宙中最常見的物態是氣體（如星際雲氣）和等離子體（如恆星中）。

簡介

 
一箱熱水中加入冷水的熱顯像圖，可以看到熱水和冷水相互的流動

液體是物質的四個基本狀態之一，其它基本狀態為固體、氣體及等離子體。與固體不同的是液體屬於流體，液體中的分子自由度較高，可以移動。在固體中使分子固定不動的力，在液體中只是暫時性的，因此液體可以流動。

液體和氣體一樣都有流體的特質。液體沒有一定的形狀，會順着容器的外形而改變，若是在密封容器中，容器每個表面都會受到相同的壓強。液體和氣體也有不同之處：氣體一定可以和另一氣體均勻混合，液體則不然，兩種液體（例如水和油）可能無法均勻混合。液體也不會填滿容器中所有的空間，會產生液體本身的表面，除非受到高壓壓縮，液體受壓縮後的體積變化不大，因此液體適用在像水力學的應用中。

液體的粒子結合的非常牢固，但不是剛性結合，粒子之間有一定的自由度可以移動。溫度上升時．分子的振動增加，使得分子之間的距離也會增加。當液體的溫度到達沸點時，分子之間的內聚力消失，因此液體會轉變為氣體（除非出現過熱情形）。當溫度下降時，分子之間的距離減少。當溫度低到凝固點時，分子會排列成一種特殊的形式．稱為結晶，而分子之間的內聚力越來越強，液體會轉變為固體（除非出現過冷情形）。

舉例

常溫常壓下，只有2種元素單質呈液態：汞和溴。另有4種元素單質熔點略高於室溫：鈁（其推測的熔點高於室溫）、銫（熔點28.44 °C）、鎵（熔點29.7646 °C）和銣（熔點39.31 °C）[1]。室溫下為液態的合金包括鈉鉀合金，易熔化的鎵銦錫合金，及一些汞合金。

常溫下呈液體的純物質包括水、乙醇及許多有機溶劑。液態水在化學及生物學上相當重要，一般認為是生命存在必須的物質。

無機液體包括水、許多無機非水溶劑及無機酸。

日常會用到的液體中包括許多水溶液，例如家用的漂白水、像是礦物油及石油等不同物質的混合物、像蛋黃醬或油醋汁等乳濁液、像血之類的懸濁液，以及像油漆及牛奶等膠體。

許多氣體可以用冷卻的方式液化，產生像液氧、液氮、液氫、液氦及液氨等液體，但不是所有氣體都可以在一般大氣壓下液化，像二氧化碳只能在高於5.1大氣壓的條件下液化。

一些物質無法歸類到三種狀態中的一種，它們同時具有類液體和類固體的性質。例如液晶和生物膜。

應用

液體有許多不同的用途，像是潤滑、溶劑及冷卻等。在液壓系統中用液體來傳輸功率。

在磨潤學中會研究液體當作潤滑劑時的一些性質，潤滑劑一般是特別選擇的油，在操作溫度範圍內有適當的黏度及流動性。因為油類的潤滑性質良好，常用在引擎、傳動系統、金屬加工以及液壓系統中[2]。

許多的液體會用做溶劑，溶解其他液體或固體，形成溶液或膠體，可以用在塗料、密封劑（英語：sealant）及黏合劑上。在工業上常用石腦油及丙酮來清除零件及機械上的油類、油脂及焦油。體液是身體中的溶液或懸濁液，其主要成份是水。

表面活性劑常用在肥皂及清潔劑中，像乙醇等溶劑常用作抗微生物劑，液體也會用在化妝品、墨水及液態染料激光器中。液體也用在食品產業中，例如萃取植物油的製程。[3]

液體有比氣體高的熱導率，而且可以流動，因此液體適合用來將熱量從機械元件中移除。熱可以由讓液體流過熱交換器的方式移除，或者是讓液體蒸發，帶走熱量.[4]。水或是乙二醇常用在引擎的散熱系統，避免引擎過熱[5]。核反應堆中用散熱系統的冷媒包括水，以及像鈉或鉍等反應溫度下為液態的金屬[6]。液態推進劑會形成薄膜，冷卻火箭的推進室[7]。在機械加工時．水和油用來移除在加工時產生的熱量，若不移除熱量，工件及刀具會快速的因高熱受損。在流汗時，汗液中的水蒸發，帶走皮膚的熱量。在暖通空調（HVAC）中，常用水或其他液體作為工質，將熱量由一處帶到另一處。[8]

液體是液壓系統中的重要元件，利用帕斯卡定律傳遞液壓動力（英語：fluid power）。像泵浦及水車機械從古代就開始使用，可以將液體的運動和機械功之間進行轉換。液壓泵浦（英語：hydraulic pump）會對液壓油施力，將力傳遞到液壓缸中。在許多應用中都會用到液壓系統，例如車輛煞車及傳動，工程作業車輛及飛機的控制系統。液壓沖床用在許多不同的應用中，包括生產製造、沖製工件、夾具及成形。[9]

液體有時也用在量測設備中，像溫度計就是利用液體（例如汞）的熱膨脹特性，以及可以流動的特性量測溫度。壓力計是利用液體的重量來量測氣壓。[10]

力學性質

體積

液體的量通常用體積度量。體積單位包括國際單位制的單位立方公尺（m3）以及其衍生單位，較常用的是也可以稱為公升的立方公寸（1 dm3 = 1 L = 0.001 m3），以及也可以稱為毫升的立方公分（1 cm3 = 1 mL = 0.001 L = 10−6 m3）。

一的定量液體的體積由其溫度和壓強決定。一般情況下，液體熱脹冷縮，但水在0-4 °C時則相反。液體的壓縮率很小，例如使水的密度增加1/1000需要200巴壓強。在流體動力學的研究中，特別是在研究不可壓縮流時，通常將液體視為不可壓縮的。

壓力和浮力

主條目：流體靜力學

在引力場（也叫重力場）中，液體對容器壁和任何液體中的物體產生壓力。這一壓力指向各個方向，並隨深度增加而增加。在均勻的引力場中，靜止的液體在深度h處的壓力p為：

 

這裏

 為液體在該溫度下的密度（假設為常數）
 為重力加速度

需要注意的是此公式假設自由表面處的壓力為0，並且忽略了表面張力的影響。

主條目：浮力

浸入液體的物體受到浮力的作用。（在其他的流體中也有浮力作用，但由於液體密度大而特別顯著）

表面

主條目：表面科學
 
水面上的表面波

除非液體的體積與密閉容器相等，液體會產生一個表面。液體表面像一層彈性膜，表面張力在其上產生，液滴和氣泡也由此產生。表面波，毛細現象，浸潤，表面張力波的形成也都與表面張力相關。

流動

主條目：流體力學和流體動力學

液體會受到剪應力及拉伸應力變形，而所產生的阻力則以黏度量度，換言之，黏力越低（黏滯系數低）的液體，具越佳流動性。 當液體過冷，向玻璃態轉化時，黏度會急速上升，該液體會成為黏彈性的媒介，並具有固體的彈性及液體的流動性，而這個現象取決於觀察的時間及擾動的頻率。

聲音傳播

主條目：音速

在液體中，僅有的非零剛度是體積變形（液體不能保持剪切力）。因此，聲音在液體中的傳播速度為  ，這裏K是流體的體積模量，ρ是密度。比如純淨水中的音速為c=1497m/s（在25℃時）。

熱力學

相變

主條目：沸騰、沸點、熔化和熔點
 
典型的相圖，點線是說明水的異常特性，綠線說明凝固點和壓強的關係，藍線說明沸點和壓強的關係變化，紅線表示可能出現昇華或凝華的條件

當液體位於一個低於沸點的溫度時，液體中的成份會蒸發，而氣體的成份也會凝結，直到兩者平衡為止，也就是氣體凝結的速率等於液體蒸發的速率。因此若將一液體蒸發後的蒸氣持續移除，液體最後一定會完全蒸發。若液體的溫度到達沸點時，其蒸發的速率會比凝結的速度要快，溫度到達或超過沸點的液體多半會沸騰，但有時會有液體溫度超過沸點，但不會沸騰的情形，稱為過熱。

若液體的溫度低於凝固點時，液體會開始結晶，轉變為固體。這和液體轉變為氣體不同，在定壓下沒有相變化的平衡，因此只要沒有出現過冷現象，液體最後會完全轉變為固體。

增溫或減壓一般能使液體氣化，成為氣體，例如將水加溫成水蒸氣。加壓或降溫一般能使液體固化，成為固體，例如將水減溫成冰。然而，僅加壓並不能使所有氣體液化，如氧，氫，氦等。

太空中的液體

在相圖中，液態只出現在壓強超過一定值的條件下，這也說明為何太空或其他真空中不會有液體。因為其壓強為零（除非在行星或恆星的大氣層或是內部），水或其他液態的物質在太空中會依其溫度不同，可以會沸騰或是凝固。在靠近地球的太空中，若太陽沒有照射到，太空中的水會結冰，若太陽有照射到，水就會沸騰汽化。在土星軌道附近的太空，因為太陽光太弱，無法使太空中的冰昇華，像土星的土星環即為一例。

溶液

主條目：溶液

兩液體之間可能會無法混溶，像意大利沙拉醬（英語：Italian dressing）中的水和植物油即為一例。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。若要將溶液等混合物中的各成份分離，需要透過分餾的技術。

微觀性質

靜態結構系數

 
典型單原子液體的結構，原子會和許多鄰近的原子接觸，但沒有長程的有序性

在液體中，原子不會形成晶格，也沒有任何長程的有序性，這可以從X射線繞射及中子繞射技術沒有布拉格尖峰看出。在正常情形下，其繞射的訊號會有圓周的對稱性，表示液體的各向同性，在徑向的繞射強度會有輕微的振盪，可以用靜態結構因子S(q)描述，其中q為波數q=(4π/λ)sinθ，由光子或中子的波長λ和布拉格角θ計算而得。S(q)的振盪表示液體中的「鄰近度」，也就是和原子最近的一群原子其距離多遠，和原子第二近的一群原子其距離多遠……。

更直觀的說明方式是徑向分佈函數g(r)，基本上是S(q)的傅里葉變換，是液體某一時刻對關聯的空間平均值。

 
蘭納-瓊斯勢流體的徑向分佈函數

聲音的散射和結構的弛豫

上述音速的公式 中包括體積模量 K。若K不隨頻率變化，則液體為線性介質（英語：linear medium），因此聲音的傳播不會耗散，也不會需要模式耦合（英語：mode coupling）。實際上，液體都會有少許的聲頻散：隨着頻率增加，K由低頻類似液態的 轉變為高頻，類似固態的 。許多的液體，其切換都出現在GHz到THz的範圍之間，有時稱為過音頻（hypersound）。

一般液體在GHz以下的頻率中不會有剪應力：因此低頻的剪切模量為 ，有時這也視為是液體的基本性質[11][12]。不過就像體積模量K一樣，剪切模量G也會隨頻率變化，在過音頻也會出現類似的現象，由類似液態的 變為類似固態，不為0的 。

參考文獻

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. （原始內容存檔於2020-07-26）. 
  3. ^ George Wypych. Handbook of Solvents. ChemTec Publishing. 2001: 847– [2014-08-02]. ISBN 978-1-895198-24-9. （原始內容存檔於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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Butterworth-Heinemann 2000 p. vii ISBN 978-0-7506-7174-3
  10. ^ Bela G. Liptak Instrument engineers' handbook: process control （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 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. （原始內容存檔於2020-11-13） （英語）. 
  12. ^ Max Born. Thermodynamics of Crystals and Melting. The Journal of Chemical Physics: 591–603. [2018-04-03]. doi:10.1063/1.1750497. （原始內容存檔於2020-06-10）. 

來源

書籍
  • 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

參見

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