Væske

Aggregattilstandar

Væske er ein aggregattilstand eller fase som har fast volum, men ikkje fast form. Det vil seie at stoffet som er i denne tilstanden har meir energi enn fast stoff, men mindre enn gass. Ei væske tek form etter ilåtet ho fyller. Ho utøver likt trykk på sidene i ilåtet og det som eventuelt ligg i væska.

Væske er, saman med faststoff og gass, ein av dei tre klassiske aggregattilstandane og eit svært viktig omgrep i fysikk, kjemi og andre naturvitskapar.

Eigenskapar

Væskefasen er knytt til ei større samling av stoff: ein kan ikkje snakke om at eit enkelt atom eller molekyl er væske, gass eller faststoff. Væsker er bygd opp av molekyl der bindinga mellom molekyla er langt sterkare enn for gassar, men ikkje så sterk at molekyla sit i låste posisjonar, som faststoff. Dei fleste væskene har forholdsvis små molekyl, beståande av éin til nokre titals atom, men nokre kan òg vere større, som termoplast.

Ein drope held forma pga overflatespenning.

Stoff endrar fasar og typisk blir ei væske til faststoff når han vert avkjølt, og til gass når det varmast opp. Denne overgangen skjer gjerne ved klårt definerte temperaturar (kalla kritiske temperaturar) som er spesielt for kvart enkelt stoff. Døme på dette er væska vatn, som frys til is (faststoff) ved 0 °C og fordampar (gass) ved 100 °C ved eit trykk på ein atmosfære. Tilsvarande går gass ofte over til væske under stort trykk. På langt nær alle faste stoff har ein væskefase, fordi ein temperaturauke fører til ein kjemisk reaksjon i staden for ein faseendring. T.d. vil tre byrje å brenne (kjemisk reaksjon) ved oppvarming i staden for å gå over i væskeform. Dei einaste grunnstoffa som er væsker ved standard trykk og temperatur er kvikksølv og brom.

Når ein har stoff som er samansett av fleire typar molekyl skjer ofte overgang til væskefasen ved ulike temperaturar for dei ulike typane. T.d. ved blanding av feitt i vatn, vil desse danne ein felles væskefase ved 80 °C medan feittet blir separert ut og blir fast, medan vatnet enno er flytande, når temperaturen reduserast til 15 °C.

Overflatehinner er vanlege på væsker og desse gjer at små mengder væsker samlar seg i dropar i staden for å renne. Overflatehinner er spesielt viktig ved små mengder væske og straum gjennom tynne røyr. Den kjemiske samansetnaden av væska avgjer kor sterk overflatehinna er. Til dømes vil tilsetjing av salt eller oppvaskmiddel veikja overflatehinna til vatn.

Bruksområde

Hushaldning

Vatn er det viktigaste næringsmidlet og tilførsel av reint vatn, eller vassbasert væske, er ein føresetnad for kvart og eit samfunn. I moderne hushaldningar er stort sett dette løyst ved hjelp av eit omfattande røyrnett for vassforsyning, ofte supplert med separat sal av vatn på flaske viss vatnet frå røyra ikkje er reint nok. Tilsvarande finst separate røyrnett for kloakk, der vatn blir brukt til å frakte avfall vekk frå hushaldningane. Ei hushaldning nyttar væsker til matlaging, reingjering (såper og reingjerinsmiddel) og oppvarming (sentralfyr).

Prosessindustri

Prosessindustri er den samfunnsektoren som i størst grad gjer bruk av væsker og dei fleste industrielt framstilte produkt har gjort bruk av væsker.

Kjemisk industri er i hovudsak basert på bruk av væsker, anten ved at væska sjølv inngår i ein kjemisk reaksjon eller ved at han blir brukt som løysemiddel.
Metallurgi er basert på smelting av metall og legeringar.
Oljeindustrien er basert på væska olje og derivata frå denne.
Farmasøytisk industri lagar stort sett produkt som kan løysast i vatn, og væsker inngår òg som viktige mellomsteg i produksjonen, sjølv om dei fleste lækjemidla blir distribuert i fast form.

Jordbruk

Vatn er føresetnad for all jordbruk, inkludert fiske og havbruk. Jordbruk er anten basert på naturleg tilførsel av vatn, men ein stor del av jordbruka i verda er òg avhengig av kunstig vatning, og kunstige vatningsanlegg er dermed naudsynt for verda si matproduksjon. I tillegg brukar moderne jordbruk i stort omfang insektmiddel i væskeform og dessutan at jordbruksindustrien brukar store mengder vatn til reingjering av jordbruksprodukt.

Skipsfart

Skipsfart brukar vatn til transport og den største delen av frakt av tung eller voluminøst material føregår til sjøs.

Historikk

Forståinga av væsker er knytt sterkt til utviklinga av vitskap, teknologi og industri.

Den første milepålen i kunstig framstilte væsker er smelting av metall, som sparka i gang bronsealderen for ca 5500 år sidan. Dei antikke høgkulturane gjorde òg nytte av væsker til medisinske salvar og kremar, forløparen til moderne farmasi. Væskedynamikk, dvs læra om korleis væsker strøymer, har røter i antikken, der det vart laga avanserte røyrsystem, både basert på pumpar (Arkimedes-skruen) og på hevertprinsippet. Hevertprinsippet seier at væske strøymer gjennom ein fylt slange (eller røyr) viss uttaket ligg lågare enn inntaket, uavhengig av kor midten av slangen er. Oppdaginga av hevertprinsippet er tilskriven Ktesibios frå Alexandria, 200-talet fvt. Prinsippet bak oppdrift vart først forstått av Arkimedes, som fann at oppdrift til ein lekam er lik tyngda av vatnet han treng bort.

Den moderne, matematiske formulerte, fysiske forståinga av væsker byrjar på 1600-talet med Blaise Pascal, som viser korleis væskenivå avheng av trykk, dvs prinsippet bak eit barometer. Dei dynamiske eigenskapane til væsker byggjer først og fremst på Isaac Newtons mekanikk og den første generelle skildringa for rørsla til væsker er Eulerlikningane, som gjeld for ikkje-viskøse (lettflytande), ikkje-kompressible, væsker, slik som vatn (utan turbulens). Den komplette forståinga av klassiske væsker kjem med Navier-Stokes-likningane på byrjinga av 1800-talet. Desse likningane skildrar alle eigenskapane til klassiske væsker og alle andre likningar er spesialtilfelle av desse. Navier-Stokes-likningane er enno vanskelege å løyse og enno er ikkje alle typar løysingar funne. Først og fremst gjeld dette turbulent flyt. Ut over klassiske væsker finst det fire andre moderne væsketeoriar: 1) Relativistiske væsker. 2) Mikroskopisk skildring av væsker. Denne er enno mangelfull. 3) Kvantevæsker, som oppstår nær det absolutte nullpunktet. 4) Væskeliknande tilstandar, t.d. straum av sand i eit timeglas.

Fysisk skildring

Fysiske storleik

Tettleik: Forholdet mellom massen i eit volum og volumet, $\rho =m/V$ .
Trykk: Kraft F per areal A, $P=F/A$ .
Viskositet: Straummotstanden i væska, dvs. kor lettflytande ho er.
Overflatespenning: Overflatekraft per lengde krafta verkar, $\gamma =F/d$ .

Dei fysiske likningane for væsker avheng ikkje direkte av temperatur, men væskeparameterane avheng av temperatur, t.d. blir viskositeten i honning mindre når han varmast opp. Væskar klassifiserast ut frå tettleik og viskositet

Ei ideell væske har konstant tettleik og ingen viskositet.
Ei newtonsk væske har konstant viskositet.
Ei viskøs væske har høg viskositet og tungt for å flyte, slik som sirup.
Ei kompressibel væske væske endrar volum ved trykkendring. Dei fleste væskene er i lita grad kompressible, medan nokre, t.d. flytande helium, er svært kompressible.

Ofte nyttast kombinasjonar og negasjonar av dei overnemnte typane, t.d. ikkje-newtonske væsker.

Oppdrift

For meir om dette emnet, sjå oppdrift.

Oppdrift er krafta som virkar på ein lekam senka i ei væske. Oppdrifta går alltid i retning av overflata, motsett retning av tyngda. Arkimedes lov seier at oppdrifta er like stor som tyngda av vatnet lekamen fortrenger. Positiv oppdrift vil seie at oppdrifta er større enn tyngden og lekamen vil stige mot overflata. Negativ oppdrift vil seie at oppdrifta er mindre enn tyngda og lekamen vil søkke mot botnen. Nøytral oppdrift vil seie at oppdrift og tyngda er like og lekamen er i ro.

Hydrodynamikk

For meir om dette emnet, sjå hydrodynamikk.

Hydrodynamikk skildrar rørsla til væsker, som igjen er av to hovudtypar: straumar og bølgjer. Straum vil seie at det føregår ei masseforflytning. Ein deler ofte inn i to typar straum: laminær straum vil seie at væska strøymer langsamt, stabilt og utan turbulens. Turbulent straum vil seie at straumen er kaotisk. Ofte kan ein større straum ha både laminære og ikkje-laminære område. Bølgje vil seie at det er energioverføring utan netto masseoverføring. T.d. kan ei bølgje røre seg tvers over Atlanterhavet, medan vatnet eigenleg berre rører seg opp og ned. Dei store hava har ein særs komplisert bølgjedynamikk og det finst mange typar bølgjer. Ofte er desse bølgjene knytt til ei flate, anten havoverflata eller termiske sjikt. Tsunamibølgjer er bølgjer skapt av jordskjelv eller ras, som kan tilbakeleggje store avstandar, og skape stor skade når dei treffer land.

Pascallova

For meir om dette emnet, sjå pascallova.

Pascallova skildrar trykket til ei væske i eit tyngdefelt, t.d. på jorda. Lova seier at trykkskilnaden mellom to punkt er proporsjonal med djupneendringa: $P_{1}-P_{2}=-\rho g(y_{2}-y_{1})$ med trykk P, djupne y, tettleik $\rho$ , og tyngdeakselerasjon g. Dette tyder at trykket i havet blir større jo djupare ein kjem. Lova blir òg brukt til å lage barometer, der ein les av høgda av ei kvikksølvsøyle for å avgjere trykket.

Bernoulli-likninga

For meir om dette emnet, sjå Bernoulli-likninga.

Bernoulli-likning skildrar korleis farten til ei væske i ein slange avheng av trykk og høgde. Denne likninga blir brukt for å skildre røyrsystem og hydraulikk.

Eulerlikningane

For meir om dette emnet, sjå Eulerlikningane.

Eulerlikningane skildrar straum av ikkje-viskøse væsker. Eulerlikningane blir rekna som ei god tilnærming til mange typar væsker og er i omfattande bruk, sidan dei er fundamentalt mykje enklare å løyse ein Navier-Stokes-likningane.

Navier-Stokes-likningane

For meir om dette emnet, sjå Navier-Stokes-likningane.

Navier-Stokes-likningane er den overordna teorien som skildrar rørsle av all typar klassiske væsker. Likningane er i den mest generell forma si særs vanskelege å handtere og hydrodynamikk er som fag er i hovudsak oppteke med å finne eigna skildringar for spesialtilfelle.

Relativistisk straum

For meir om dette emnet, sjå relativistisk straum.

Relativistisk straum tyder at straumsnøggleiken er særs høy, i nærleiken av lysfarten, og desse blir skildra med formlar som er Lorentz-invariante.

Væskeliknande tilstandar

Hovudartikkel: Komplekse system

Det finst ei rekkje fysiske system som flyt, men som ikkje eigenleg er væsker, t.d. straumen av sand i timeglas, leire, bolledeig, og snøre. Slike væskeliknande tilstandar er vanlege, men kan ikkje skildrast av Navier-Stokes likningar og manglar ein enhetlig teori.

Kvantevæsker

For meir om dette emnet, sjå superfluid.

Ein superfluid er ein type væske som opptrer ved svært låge temperaturar. Superfluidar flyt utan viskositet. Helium er det einaste stoff som er kjent å bli superflytande væske.

Abstrakte væsker

Væskeomgrepet er òg nyttig for å skildre andre typar system som ein eigenleg ikkje tenkjar på som væskar. T.d. kan store atomkjernar skildrast som væskedropar og tett vekselverkande elektron i ein leiar som ei elektronvæske.

Kjemisk skildring

Kjemien er læra om korleis stoff endrar samansetnad, og i praksis føregår nesten alltid kontrollerte kjemiske reaksjonane i væsketilstand, òg når sluttprodukta er faststoff. Grunnen til at væsker er så viktige er at ein kjemisk reaksjon i faststoff føregår berre ved overflata, og at det vil vere svært vanskeleg å få reaksjonen til å gå kontrollert gjennom eit heilt stykke faststoff. Kjemiske reaksjonar med faststoff føregår nesten alltid med pulver, som i likskap med væske har stor overflate. I ei væske føregår den kjemiske reaksjonen i heile volumet til væska samstundes, om ho er blanda riktig, og reaksjonen er dermed rask og lettare å kontrollere.

Blanding av to væsker, eller ei væske og eit faststoff, kan anten karakteriserast som homogen eller heterogen. Homogen væske tyder at dei to partisipantane dannar ei einskapleg blanding, slik som vatn og saft. Heterogen væske vil seie at dei skil seg i to distinkte lag, som vatn og feitt, der feittet legg seg på toppen. Heterogen blandingar kjem bla når den eine væska er vassløyseleg og den andre er feittløyseleg. Ved blanding blir det danna ei fasehinne mellom væskene. Dette skjer fordi molekyla i den vassløyselege væska har polaritet, medan molekyla i den feittløyselege væska er upolare. Dersom blandinga blir tilsett eit stoff med mindre polaritet, vil fasehinna forsvinne og væskene blande seg. Dette skjer til dømes med aceton eller propanol i kondensfjernar, eller med såpe som er eit lengre molekyl med ein polar og ein upolar ende.

Mikroskopisk skildring

Ein fullverdig mikroskopisk teori for væsker finst enno ikkje. Likevel veit vi forholdsvis mykje om korleis væsker ser ut på mikroskopisk, dvs på atom- og molekylnivå. Dei mest basale likningane som skildrar væsker er dei same kvantemekaniske likningane som skildrar gassar, men desse kan ikkje løysast på same måte som for gassar. Løysinga for gassar byggjer på at vekselverknaden er svak mellom molekyla, medan dette ikkje er tilfelle for væsker. Det er tenkt at molekyla i væsker dannar klyngar som rører seg lite i tilhøve til kvarandre, men sidan væskar flyt må desse klyngene ha avgrensa storleik.

Kjelder

Denne artikkelen bygger på «Væske» frå Wikipedia på bokmål, den 23. februar 2012.
- Wikipedia på bokmål oppgav desse kjeldene:
Hugh D. Young (1992). Physics (8. utg.). Addison-Wesley. ISBN 0-201-56901-5 Check |isbn= value: checksum (hjelp).
L.D. Landau and E.M. Lifshitz (1987). Fluid Mechanics (2. utg.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0 7506 2767 0.