Il fluidi Sono mezzi continui le cui molecole non sono legate come nei solidi e quindi hanno una maggiore mobilità. Sia i liquidi che i gas sono fluidi e alcuni, come l'aria e l'acqua, sono di vitale importanza, poiché sono necessari per mantenere la vita.
Esempi di fluidi sono l'acqua, l'elio superfluido o il plasma sanguigno. Ci sono materiali che sembrano solidi, ma presentano comunque le caratteristiche che hanno i fluidi, ad esempio il catrame. Posizionando un mattone sopra un grosso pezzo di catrame, si osserva che affonda poco a poco fino a raggiungere il fondo.
Anche alcune materie plastiche sembrano essere solide, ma in realtà sono fluidi molto viscosi, in grado di fluire estremamente lentamente..
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I fluidi sono principalmente caratterizzati da:
-Hanno una maggiore separazione tra le sue molecole rispetto ai solidi. Nel caso dei liquidi, le molecole mantengono ancora una certa coesione, mentre nei gas interagiscono molto meno.
-Scorrono o drenano, quando le forze di taglio agiscono su di essi. I fluidi non resistono alle sollecitazioni, quindi si deformano in modo continuo e permanente quando vengono applicati su di essi.
-Si adattano alla forma del contenitore che li contiene e se si tratta di gas, si espandono immediatamente fino a coprire l'intero volume dello stesso. Inoltre, se possono, le molecole sfuggiranno rapidamente dal contenitore..
-I gas sono facilmente comprimibili, cioè il loro volume può essere facilmente modificato. D'altra parte, modificare il volume di un liquido richiede uno sforzo maggiore, per questo motivo sono considerati incomprimibili in un ampio intervallo di pressioni e temperature.
-I liquidi hanno una superficie libera piatta quando la pressione che agisce su di essi è costante. Alla pressione atmosferica, ad esempio, la superficie di un lago senza onde è piatta.
Il comportamento macroscopico di un fluido è descritto da diversi concetti, i principali sono: densità, peso specifico, densità relativa, pressione, modulo di compressibilità e viscosità. Vediamo brevemente in cosa consiste ciascuno.
In un mezzo continuo come un fluido, non è facile tenere traccia di una singola particella o molecola, quindi invece di lavorare con la massa di una, si preferisce farlo con densità, una caratteristica che riguarda il fluido come un totale..
La densità è definita come il rapporto tra massa e volume. Indicando la densità con la lettera greca ρ, la massa m e il volume V:
ρ = m / V
Quando la densità varia da un punto all'altro del fluido, viene utilizzata l'espressione:
ρ = dm / dV
Nel Sistema internazionale di unità, la densità è misurata in kg / m3.
La densità di qualsiasi sostanza in generale non è costante. Tutti quando riscaldati subiscono espansione, tranne l'acqua, che si espande quando congelata.
Tuttavia, nei liquidi la densità rimane pressoché costante in un'ampia gamma di pressioni e temperature, sebbene i gas subiscano variazioni più facilmente, poiché sono più comprimibili..
La gravità specifica è definita come il quoziente tra l'entità del peso e il volume. Pertanto è correlato alla densità, poiché l'entità del peso è mg. Denotando il peso specifico con la lettera greca γ, abbiamo:
γ = mg / V
L'unità di gravità specifica nel Sistema internazionale di unità è il newton / m3 e in termini di densità, il peso specifico può essere espresso in questo modo:
γ = ρg
L'acqua e l'aria sono i fluidi più importanti per la vita, quindi servono da punto di riferimento per gli altri.
Nei liquidi, la densità relativa è definita come il quoziente tra la massa di una porzione di fluido e la massa di un uguale volume di acqua (distillata) a 4 ºC e 1 atmosfera di pressione.
In pratica si calcola facendo il quoziente tra la densità del fluido e quella dell'acqua in queste condizioni (1 g / cm3 o 1000 kg / m3), quindi la densità relativa è una quantità adimensionale.
È indicato come ρr o sg per peso specifico, che si traduce come gravità specifica, un altro nome per densità relativa:
sg = ρfluido / ρacqua
Ad esempio, una sostanza con sg = 2,5 è 2,5 volte più pesante dell'acqua.
Nei gas la densità relativa è definita allo stesso modo, ma invece di usare l'acqua come riferimento si usa la densità dell'aria pari a 1.225 kg / m.3 a 1 pressione atmosferica e 15 ºC.
Un fluido è costituito da innumerevoli particelle in costante movimento, capaci di esercitare forza su una superficie, ad esempio quella del contenitore che le contiene. La pressione media P che il fluido esercita su una qualsiasi superficie piana dell'area A è definita tramite il quoziente:
P = F┴/PER
Dove F┴ è la componente perpendicolare della forza, quindi la pressione è una quantità scalare.
Se la forza non è costante o la superficie non è piatta, la pressione è definita da:
p = dF / dA
L'unità SI della pressione è il newton / mDue, chiamato Pascal e abbreviato Pa, in onore del fisico francese Blaise Pascal.
Tuttavia, in pratica vengono utilizzate molte altre unità, sia per ragioni storiche o geografiche, sia anche a seconda del campo di studio. Le unità del sistema britannico o del sistema imperiale sono usate molto frequentemente nei paesi di lingua inglese. Per la pressione in questo sistema il psi o libbra forza / polliceDue.
Quando una porzione di fluido è sottoposta a uno stress di volume, diminuisce leggermente. Questa diminuzione è proporzionale allo sforzo impiegato, essendo la costante di proporzionalità il modulo di compressibilità O semplicemente comprimibilità.
Se B è il modulo di compressibilità, ΔP la variazione di pressione e ΔV / V la variazione di volume unitario, quindi matematicamente:
B = ΔP / (ΔV / V)
La variazione di unità di volume è adimensionale, poiché è il quoziente tra due volumi. In questo modo la compressibilità ha le stesse unità di pressione.
Come si diceva all'inizio, i gas sono fluidi facilmente comprimibili, mentre i liquidi non lo sono, quindi hanno moduli di compressibilità paragonabili a quelli dei solidi..
Un fluido in movimento può essere modellato da strati sottili che si muovono l'uno rispetto all'altro. La viscosità è l'attrito che esiste tra di loro.
Per stampare il movimento al fluido, viene applicato uno stress di taglio (non molto grande) ad una sezione, l'attrito tra gli strati impedisce al disturbo di raggiungere gli strati più profondi.
In questo modello, se la forza viene applicata alla superficie del fluido, la velocità diminuisce linearmente negli strati inferiori fino a svanire in basso, dove il fluido è a contatto con la superficie a riposo del contenitore che lo contiene..
Matematicamente si esprime dicendo che l'entità dello sforzo di taglio τ è proporzionale alla variazione della velocità con la profondità, che è denotata come Δv / Δy. La costante di proporzionalità è la viscosità dinamica μ del fluido:
τ = μ (Δv / Δy)
Questa espressione è nota come legge della viscosità di Newton ei fluidi che la seguono (alcuni non seguono questo modello) sono chiamati fluidi newtoniani..
Nel Sistema Internazionale le unità di viscosità dinamica sono Pa. S, ma la equilibrio, abbreviato P, che è uguale a 0,1 Pa.s.
I fluidi sono classificati secondo vari criteri, la presenza o l'assenza di attrito è uno di questi:
La sua densità è costante, è incomprimibile e la sua viscosità è zero. È anche irrotazionale, cioè non si formano turbine all'interno. E infine, è stazionario, il che significa che tutte le particelle fluide che passano attraverso un certo punto hanno la stessa velocità.
Negli strati di fluidi reali ci sono attriti e quindi viscosità, possono anche essere comprimibili, sebbene come abbiamo detto i liquidi siano incomprimibili in un ampio intervallo di pressioni e temperature..
Un altro criterio stabilisce che i fluidi possono essere newtoniani e non newtoniani, a seconda del modello di viscosità che seguono:
Soddisfano la legge della viscosità di Newton:
τ = μ (Δv / Δy)
Non rispettano la legge della viscosità di Newton, quindi il loro comportamento è più complesso. Sono classificati a loro volta in fluidi con viscosità indipendentemente dal tempo e quelli con viscosità dipendente dal tempo, ancora più complesso.
L'acqua è un fluido newtoniano, sebbene in determinate condizioni il modello di fluido ideale ne descriva molto bene il comportamento..
È un buon esempio di fluido non newtoniano indipendente dal tempo, in particolare fluidi pseudoplastici, in cui la viscosità aumenta molto con lo sforzo di taglio applicato, ma poi, all'aumentare del gradiente di velocità, smette di aumentare progressivamente..
Ci vuole molto sforzo di taglio perché questi tipi di fluidi inizino a fluire. Quindi la viscosità viene mantenuta costante. Questo tipo di fluido è chiamato bingham fluid. Anche il dentifricio e alcune vernici rientrano in questa categoria..
È un fluido che viene utilizzato per pavimentare strade e come agente impermeabilizzante. Ha il comportamento di un fluido Bingham.
Totalmente priva di viscosità, ma a temperature prossime allo zero assoluto.
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