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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(zhì)的四個基本狀態(tài)之一，其它基本狀態(tài)為固體、氣體及等離子體。液體是流體，和固體不同，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，有流體的特質(zhì)。液體沒有一定的形狀，會順著容器的外形而改變，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(chǎn)生液體本身的表面，除非受到高壓壓縮，液體受壓縮后的體積變化不大，因此液體適用在像水力學(xué)的應(yīng)用中。

液體的粒子結(jié)合的非常牢固，但不是剛性結(jié)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(dāng)液體的溫度到達(dá)沸點時，分子之間的內(nèi)聚力消失，因此液體會轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w（除非出現(xiàn)過熱情形）。當(dāng)溫度下降時，分子之間的距離減少。當(dāng)溫度低到凝固點時，分子會排列成一種特殊的形式．稱為結(jié)晶，而分子之間的內(nèi)聚力越來越強，液體會轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w（除非出現(xiàn)過冷情形）。

舉例

常溫常壓下，只有2種元素單質(zhì)呈液態(tài)：汞和溴。另有4種元素單質(zhì)熔點略高于室溫：鈁（其推測的熔點高于室溫）、銫、鎵和銣 。室溫下為液態(tài)的合金包括鈉鉀合金，易熔化的 Galinstan合金 （ 英語 ： galinstan ） ，及一些汞合金。

常溫下呈液體的純物質(zhì)包括水，乙醇及許多有機溶劑。液態(tài)水在化學(xué)及生物學(xué)上相當(dāng)重要，一般認(rèn)為是生命存在必須的物質(zhì)。

無機液體包括水、許多 無機非水溶劑 （ 英語 ： Inorganic nonaqueous solvent ） 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(zhì)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(chǎn)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于5.1大氣壓的條件下液化。

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

應(yīng)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(tǒng)中用液體來傳輸功率。

在磨潤學(xué)中會研究液體當(dāng)作潤滑劑時的一些性質(zhì)，潤滑劑一般是特別選擇的油，在 操作溫度 （ 英語 ： Operating temperature ） 范圍內(nèi)有適當(dāng)?shù)酿ざ燃傲鲃有浴Ｒ驗橛皖惖臐櫥再|(zhì)良好，常用在引擎、傳動系統(tǒng)、金屬加工以及液壓系統(tǒng)中 。

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，可以用在涂料、 密封劑 （ 英語 ： sealant ） 及黏合劑上。在工業(yè)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，其主要成分是水。

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 （ 英語 ： antimicrobial ） ，液體也會用在化妝品、墨水及液態(tài)染料激光器中。液體也用在食品產(chǎn)業(yè)中，例如萃取植物油的制程。

液體有比氣體高的熱導(dǎo)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(fā)，帶走熱量. 。水或是乙二醇常用在引擎的散熱系統(tǒng)，避免引擎過熱 。核反應(yīng)堆中用散熱系統(tǒng)的冷媒包括水，以及像鈉或鉍等反應(yīng)溫度下為液態(tài)的金屬 。液態(tài)推進劑會形成薄膜，冷卻火箭的推進室 。在機械加工時．水和油用來移除在加工時產(chǎn)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(fā)，帶走皮膚的熱量。在暖通空調(diào)（HVAC）中，常用水或其他液體作為工質(zhì)，將熱量由一處帶到另一處。

液體是液壓系統(tǒng)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(zhuǎn)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(yīng)用中都會用到液壓系統(tǒng)，例如車輛剎車及傳動，工程作業(yè)車輛及飛機的控制系統(tǒng)。液壓沖床用在許多不同的應(yīng)用中，包括生產(chǎn)制造、沖制工件、夾具及成形。

液體有時也用在量測設(shè)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。

力學(xué)性質(zhì)

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米（m ）以及其衍生單位，較常用的是也可以稱為升的立方公寸（1 dm = 1 L = 0.001 m ），以及也可以稱為毫升的立方公分（1 cm = 1 mL = 0.001 L = 10 m ）。

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(xué)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。

壓強和浮力

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(chǎn)生壓強。這一壓強指向各個方向，并隨深度增加而增加。在均勻的引力場中，靜止的液體在深度 z 處的壓強 p 為：

這里

需要注意的是此公式假設(shè)自由表面處的壓強為0，并且忽略了表面張力的影響。

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，但由于液體密度大而特別顯著。）

表面

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(chǎn)生一個表面。液體表面像一層彈性膜，表面張力在其上產(chǎn)生，液滴和氣泡也由此產(chǎn)生。表面波，毛細(xì)現(xiàn)象，浸潤，表面張力波的形成也都與表面張力相關(guān)。

流動

液體會受到剪應(yīng)力及拉伸應(yīng)力變形，而所產(chǎn)生的阻力則以黏度量度，換言之，黏力越低（黏滯系數(shù)低）的液體，具越佳流動性。 當(dāng)液體過冷，向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化時，黏度會急速上升，該液體會成為黏彈性的媒介，并具有固體的彈性及液體的流動性，而這個現(xiàn)象取決于觀察的時間及擾動的頻率。

聲音傳播

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 c = K / ρ ρ --> {\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}} ，這里 K 是流體的體積模量， ρ 是密度。比如純凈水中的音速為 c =1497m/s（在25℃時）。

熱力學(xué)

相變

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(guān)系，藍(lán)線說明沸點和壓強的關(guān)系變化，紅線表示可能出現(xiàn)升華或凝華的條件

當(dāng)液體位于一個低于沸點的溫度時，液體中的成分會蒸發(fā)，而氣體的成分也會凝結(jié)，直到兩者平衡為止，也就是氣體凝結(jié)的速率等于液體蒸發(fā)的速率。因此若將一液體蒸發(fā)后的蒸氣持續(xù)移除，液體最后一定會完全蒸發(fā)。若液體的溫度到達(dá)沸點時，其蒸發(fā)的速率會比凝結(jié)的速度要快，溫度到達(dá)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。

若液體的溫度低于凝固點時，液體會開始結(jié)晶，轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。這和液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w不同，在定壓下沒有相變化的平衡，因此只要沒有出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，液體最后會完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。

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，僅加壓并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(tài)只出現(xiàn)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（除非在行星或恒星的大氣層或是內(nèi)部），水或其他液態(tài)的物質(zhì)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(jié)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，無法使太空中的冰升華，像土星的土星環(huán)即為一例。

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分分離，需要透過分餾的技術(shù)。

微觀性質(zhì)

靜態(tài)結(jié)構(gòu)系數(shù)

典型單原子液體的結(jié)構(gòu)，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射線衍射及中子衍射技術(shù)沒有布拉格尖峰看出。在正常情形下，其衍射的訊號會有圓周的對稱性，表示液體的各向同性，在徑向的衍射強度會有輕微的振蕩，可以用靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子 S(q) 描述，其中q為波數(shù) 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) 的振蕩表示液體中的“鄰近度”，也就是和原子最近的一群原子其距離多遠(yuǎn)，和原子第二近的一群原子其距離多遠(yuǎn)……。

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

蘭納-瓊斯勢流體的徑向分布函數(shù)

聲音的散射和結(jié)構(gòu)的弛豫

上述音速的公式 c = K / ρ ρ --> {\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}} 中包括體積模量 K 。若 K 不隨頻率變化，則液體為 線性介質(zhì) （ 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 （ 英語 ： Acoustic dispersion ） ：隨著頻率增加， K 由低頻類似液態(tài)的 K 0 {\displaystyle K_{0}} 轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l，類似固態(tài)的 K ∞ ∞ --> {\displaystyle K_{\infty }} 。許多的液體，其切換都出現(xiàn)在GHz到THz的范圍之間，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(yīng)力：因此低頻的剪切模量為 G 0 = 0 {\displaystyle G_{0}=0} ，有時這也視為是液體的基本性質(zhì) 。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(xiàn)類似的現(xiàn)象，由類似液態(tài)的 G 0 {\displaystyle G_{0}} 變?yōu)轭愃乒虘B(tài)，不為0的 G ∞ ∞ --> {\displaystyle G_{\infty }} 。

參考文獻(xiàn)

來源

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

凝固固體融化

氣化氣體液化

流體

黏性

表面張力

漣漪

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