流体和固体

                     

贡献者: _Eden_

   我们都知道物质的三态有液体、固体和气体1,这三者在我们生活的世界里无处不在.我们脚底下的土地,我们呼吸的空气,我们喝的水、吹的风、踏过的河流……如何在物理定义上给出这三种物质形态的一个划分呢?

1. 应力的角度

   在流体力学中我们一般从应力的角度来划分这三种物质形态.流体是这样的一类物质,它能够在剪应力的作用下连续地发生形变.

图
图 1:几种不同的施加应力的方式

   图中的 “剪切” 和 “扭曲” 过程都有剪应力的参与.剪应力是指施加在流体的某个单位面积元上的平行于面积元方向的力,是应力张量的非对角元部分.它体现了剪应力与正应力的明显的区分.

未完成:应力张量词条
图中的拉伸和压缩是正应力,即力的方向是面积元的法线方向.在这种力的作用下,流体可能会发生相变——从液体到气体或从气体到液体.这是流体区分于固体的主要特点2.不过要注意的是,气体和液体之间其实没有很强的分界线.在水的临界温度之上,水的液体与气体就不再有分界线了,也就是说在我们压缩和拉伸时,我们的肉眼将看不出液体与气体的特征,从应力和微观物理的层面上看,它们更没有分界线了.事实上,气体和液体的很多性质都是类似的,因此我们常用流体力学的手段去研究它们——例如我们的大气、我们的海洋,它们共有着许多规律——涡旋、对流等等.

   固体是指在外力的影响下只会发生微小的形变(几乎没有),但撤去外力以后就会恢复原形.这意味着固体的形状不会轻易地发生变化(在一些特殊例子中,木头会发生断裂,金属会被拉伸而延展).虽然固体不易形变,但总会有微小的形变,只是我们的肉眼很难观察的到.正因为它的形变及恢复力,固体才会发生振动,及声波在固体内部传播.于是我们才会听到鼓声敲响,才会感受到地震波的来临.

2. 微观角度

   从分子层面上看,固体是由一系列紧密排布的分子组成.它们在局部上或整体上是有序的,相互之间受分子间作用力或化学键的束缚,因此外力施加于固体之上时,它很难发生形变.有些固体的微观结构是长程有序的,可以找到它的晶胞(即重复排布的体积元),着被称为是 “晶体”;否则被称为 “非晶体”.铁、铜之类的金属就是晶体,氯化钠(食盐)、冰、金刚石也是晶体.

   流体则不受到相互间作用力的束缚.所以微观图像是无序的,而且可以发生连续形变.其中,液体和气体可以由分子(或原子)的不同运动特征区分.液体的分子间距离较小,因此一个分子要跑到很远的外边去,必须要由充足的能量,而且要越过周围一圈的势垒,否则只能随周围的分子一起集体行动.气体分子则不同,分子的平均自由程较大,也就是说气体分子周围没有明显的势垒,其运动比液体要更加狂放.正因为气体的这一特点,才有著名的麦克斯韦分布麦克斯韦—玻尔兹曼分布


1. ^ 当然有一些物质无法归为这三类形态,比如果冻、凝胶等等,这些物质也会有复杂的性质
2. ^ 当然,并不完全精确,总会有些特殊情况.


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