سائل

جزء من سلسلة عن
ميكانيكا المتصل
${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$ قوانين فيك للانتشار
القوانين الحفاظ على البيئة كتلة دَفعَة طاقة عدم المساواة كلاوزيوس-دوهيم (الإنتروبيا)
ميكانيكا المواد الصلبة تشوه مرونة خطي اللدونة قانون هوك ضغط أَضْنَى إجهاد محدود إجهاد لا متناهي في الصغر التوافق ثني ميكانيكا الاتصال احتكاكي نظرية فشل المواد ميكانيكا الكسر
ميكانيكا الموائع السوائل الاستاتيكا  · الديناميكيات مبدأ أرخميدس  · مبدأ برنولي معادلات نافير-ستوكس معادلة بوازويل  · قانون باسكال اللزوجة ( نيوتنيّة  · غير نيوتنيّة ) Buoyancy · Mixing · Pressure Liquids Adhesion Capillary action Chromatography Cohesion (chemistry) Surface tension Gases Atmosphere Boyle's law Charles's law Combined gas law Fick's law Gay-Lussac's law Graham's law Plasma
Rheology Viscoelasticity Rheometry Rheometer Smart fluids Electrorheological Magnetorheological Ferrofluids
Scientists Bernoulli Boyle Cauchy Charles Euler Fick Gay-Lussac Graham Hooke Newton Navier Noll Pascal Stokes Truesdell
v t e

السائل هو سائل غير قابل للانضغاط تقريبًا يتوافق مع شكل الحاوية التي يحويها ولكنه يحتفظ بحجم ثابت تقريبًا بغض النظر عن الضغط. وهو أحد الحالات الأساسية الأربع للمادة (الحالات الأخرى هي الصلبة والغازية والبلازما )، وهو الحالة الوحيدة التي لها حجم محدد ولكن ليس لها شكل ثابت .

تكون كثافة السائل عادة قريبة من كثافة المادة الصلبة، وأعلى بكثير من كثافة الغاز. لذلك، يُطلق على السائل والصلب اسم المادة المكثفة . من ناحية أخرى، نظرًا لأن السوائل والغازات تشتركان في القدرة على التدفق، يُطلق عليهما اسم الموائع.

يتكون السائل من جزيئات صغيرة مهتزة من المادة، مثل الذرات، مترابطة ببعضها البعض بواسطة روابط بين الجزيئات . ومثل الغاز، يكون السائل قادرًا على التدفق واتخاذ شكل الحاوية. وعلى عكس الغاز، يحافظ السائل على كثافة ثابتة إلى حد ما ولا يتشتت لملء كل مساحة في الحاوية.

على الرغم من وفرة الماء السائل على الأرض، فإن هذه الحالة من المادة هي في الواقع الأقل شيوعًا في الكون المعروف، لأن السوائل تتطلب نطاقًا ضيقًا نسبيًا من درجة الحرارة/الضغط لتوجد. معظم المادة المعروفة في الكون هي إما غاز (مثل السحب بين النجوم ) أو بلازما (مثل النجوم ).

السائل هو أحد الحالات الأربع الأساسية للمادة ، مع الحالات الأخرى وهي الصلب والغاز والبلازما . السائل هو مائع . وعلى عكس المادة الصلبة، تتمتع الجزيئات في السائل بحرية أكبر في الحركة. والقوى التي تربط الجزيئات معًا في المادة الصلبة مؤقتة فقط في السائل، مما يسمح للسائل بالتدفق بينما تظل المادة الصلبة صلبة.

السائل، مثل الغاز، يعرض خصائص المائع. يمكن للسائل أن يتدفق، ويأخذ شكل حاوية، وإذا تم وضعه في حاوية محكمة الغلق، فسوف يوزع الضغط المطبق بالتساوي على كل سطح في الحاوية. إذا تم وضع السائل في كيس، فيمكن ضغطه في أي شكل. على عكس الغاز، فإن السائل غير قابل للضغط تقريبًا، مما يعني أنه يشغل حجمًا ثابتًا تقريبًا على مدى واسع من الضغوط؛ لا يتمدد عمومًا لملء المساحة المتاحة في الحاوية ولكنه يشكل سطحه الخاص، وقد لا يختلط دائمًا بسهولة مع سائل آخر. تجعل هذه الخصائص السائل مناسبًا لتطبيقات مثل الهيدروليكا .

ترتبط جزيئات السائل بقوة ولكن ليس بشكل صارم. وهي قادرة على التحرك حول بعضها البعض بحرية، مما يؤدي إلى درجة محدودة من حركة الجسيمات. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تتسبب الاهتزازات المتزايدة للجزيئات في زيادة المسافات بين الجزيئات. عندما يصل السائل إلى نقطة الغليان ، تنكسر قوى التماسك التي تربط الجزيئات معًا عن كثب، ويتغير السائل إلى حالته الغازية (ما لم يحدث ارتفاع في درجة الحرارة ). إذا انخفضت درجة الحرارة، تصبح المسافات بين الجزيئات أصغر. عندما يصل السائل إلى نقطة التجمد ، عادة ما تقفل الجزيئات في ترتيب محدد للغاية، يسمى التبلور، وتصبح الروابط بينها أكثر صلابة، مما يغير السائل إلى حالته الصلبة (ما لم يحدث تبريد فائق ).

يوجد عنصران فقط يكونان سائلين في الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط : الزئبق والبروم . أربعة عناصر أخرى لها نقاط انصهار أعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة : الفرانسيوم والسيزيوم والغاليوم والروبيديوم . ^{[1] بالإضافة إلى ذلك،} تكون مخاليط معينة من العناصر سائلة في درجة حرارة الغرفة، حتى لو كانت العناصر الفردية صلبة في نفس الظروف (انظر الخليط الأيوتكتيكي ). ومن الأمثلة على ذلك سبيكة معدن الصوديوم والبوتاسيوم NaK . [ ^2] تشمل السبائك المعدنية الأخرى التي تكون سائلة في درجة حرارة الغرفة الجالينستان ، وهي سبيكة غاليوم وإنديوم وقصدير تذوب عند -19 درجة مئوية (-2 درجة فهرنهايت)، بالإضافة إلى بعض الملغمات (سبائك تحتوي على الزئبق). ^[3]

تشمل المواد النقية التي تكون سائلة في الظروف العادية الماء والإيثانول والعديد من المذيبات العضوية الأخرى. يشكل الماء السائل أهمية حيوية في الكيمياء والبيولوجيا، وهو ضروري لجميع أشكال الحياة المعروفة. ^{[4] [5]}

تشمل السوائل غير العضوية الماء والماغما والمذيبات غير العضوية غير المائية والعديد من الأحماض .

تشمل السوائل اليومية المهمة المحاليل المائية مثل المبيض المنزلي، ومخاليط أخرى من مواد مختلفة مثل الزيوت المعدنية والبنزين، والمستحلبات مثل صلصة الخل أو المايونيز ، والمعلقات مثل الدم، والمواد الغروية مثل الطلاء والحليب .

يمكن تحويل العديد من الغازات إلى سوائل بالتبريد، مما ينتج عنه سوائل مثل الأكسجين السائل والنيتروجين السائل والهيدروجين السائل والهيليوم السائل . ومع ذلك، لا يمكن تحويل جميع الغازات إلى سوائل عند الضغط الجوي. على سبيل المثال، لا يمكن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سوائل إلا عند ضغوط أعلى من 5.1 ضغط جوي . ^[6]

لا يمكن تصنيف بعض المواد ضمن الحالات الثلاث الكلاسيكية للمادة. على سبيل المثال، تمتلك البلورات السائلة (المستخدمة في شاشات الكريستال السائل ) خصائص صلبة وأخرى سائلة، وتنتمي إلى حالة مادية خاصة بها تختلف عن السائل أو الصلب. ^[7]

السوائل مفيدة كمواد تشحيم بسبب قدرتها على تكوين طبقة رقيقة تتدفق بحرية بين المواد الصلبة. يتم اختيار مواد التشحيم مثل الزيت لخصائص اللزوجة والتدفق المناسبة في جميع أنحاء نطاق درجة حرارة التشغيل للمكون. غالبًا ما تُستخدم الزيوت في المحركات وعلب التروس والعمل المعدني والأنظمة الهيدروليكية لخصائص التشحيم الجيدة. ^[8]

تُستخدم العديد من السوائل كمذيبات ، وذلك لإذابة سوائل أو مواد صلبة أخرى. وتُستخدم المحاليل في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الدهانات والمواد المانعة للتسرب والمواد اللاصقة . ويُستخدم النفتا والأسيتون بشكل متكرر في الصناعة لتنظيف الزيوت والشحوم والقطران من الأجزاء والآلات. أما سوائل الجسم فهي عبارة عن محاليل تعتمد على الماء .

توجد المواد الخافضة للتوتر السطحي بشكل شائع في الصابون والمنظفات . غالبًا ما تُستخدم المذيبات مثل الكحول كمضادات للميكروبات . توجد في مستحضرات التجميل والأحبار وأشعة الليزر الصباغية السائلة . تُستخدم في صناعة الأغذية، في عمليات مثل استخلاص الزيوت النباتية . ^[9]

تميل السوائل إلى أن يكون لها موصلية حرارية أفضل من الغازات، والقدرة على التدفق تجعل السائل مناسبًا لإزالة الحرارة الزائدة من المكونات الميكانيكية. يمكن إزالة الحرارة عن طريق توجيه السائل عبر مبادل حراري ، مثل المبرد ، أو يمكن إزالة الحرارة مع السائل أثناء التبخر . ^[10] تُستخدم سوائل تبريد الماء أو الجليكول لمنع المحركات من ارتفاع درجة الحرارة. ^[11] تشتمل سوائل التبريد المستخدمة في المفاعلات النووية على الماء أو المعادن السائلة، مثل الصوديوم أو البزموت . ^{[12] تُستخدم أغشية} الوقود السائل لتبريد غرف الدفع في الصواريخ . ^[13] في التصنيع ، تُستخدم المياه والزيوت لإزالة الحرارة الزائدة المتولدة، والتي يمكن أن تدمر بسرعة كل من قطعة العمل والأدوات. أثناء التعرق ، يزيل العرق الحرارة من جسم الإنسان عن طريق التبخر. في صناعة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، تُستخدم السوائل مثل الماء لنقل الحرارة من منطقة إلى أخرى. ^[14]

غالبًا ما تستخدم السوائل في الطهي نظرًا لقدراتها الممتازة على نقل الحرارة. بالإضافة إلى التوصيل الحراري، تنقل السوائل الطاقة عن طريق الحمل الحراري. على وجه الخصوص، نظرًا لأن السوائل الأكثر دفئًا تتمدد وترتفع بينما تنكمش المناطق الأكثر برودة وتغرق، فإن السوائل ذات اللزوجة الحركية المنخفضة تميل إلى نقل الحرارة من خلال الحمل الحراري عند درجة حرارة ثابتة إلى حد ما، مما يجعل السائل مناسبًا للتبييض أو الغليان أو القلي . يمكن تحقيق معدلات أعلى من نقل الحرارة عن طريق تكثيف الغاز إلى سائل. عند نقطة غليان السائل، تُستخدم كل طاقة الحرارة للتسبب في تغير الطور من سائل إلى غاز، دون زيادة مصاحبة في درجة الحرارة، ويتم تخزينها كطاقة كيميائية كامنة . عندما يتكثف الغاز مرة أخرى إلى سائل، يتم إطلاق طاقة الحرارة الزائدة هذه عند درجة حرارة ثابتة. تُستخدم هذه الظاهرة في عمليات مثل التبخير .

نظرًا لأن السوائل غالبًا ما يكون لها نقاط غليان مختلفة، يمكن فصل مخاليط أو محاليل السوائل أو الغازات عادةً عن طريق التقطير ، باستخدام الحرارة أو البرودة أو الفراغ أو الضغط أو وسائل أخرى. يمكن العثور على التقطير في كل شيء بدءًا من إنتاج المشروبات الكحولية ، إلى مصافي النفط ، إلى التقطير بالتبريد العميق للغازات مثل الأرجون أو الأكسجين أو النيتروجين أو النيون أو الزينون عن طريق التسييل (تبريدها إلى ما دون نقاط غليانها الفردية). ^[15]

السائل هو المكون الأساسي للأنظمة الهيدروليكية ، والتي تستفيد من قانون باسكال لتوفير الطاقة السائلة . تم استخدام أجهزة مثل المضخات والعجلات المائية لتحويل حركة السوائل إلى عمل ميكانيكي منذ العصور القديمة. يتم دفع الزيوت من خلال المضخات الهيدروليكية ، والتي تنقل هذه القوة إلى الأسطوانات الهيدروليكية . يمكن العثور على الهيدروليكا في العديد من التطبيقات، مثل فرامل السيارات وناقلات الحركة ، والمعدات الثقيلة ، وأنظمة التحكم في الطائرات. تُستخدم مكابس هيدروليكية مختلفة على نطاق واسع في الإصلاح والتصنيع، للرفع والضغط والتثبيت والتشكيل. ^[16]

تتمتع المعادن السائلة بالعديد من الخصائص المفيدة في الاستشعار والتحريك ، وخاصة موصليتها الكهربائية وقدرتها على نقل القوى (عدم قابلية الانضغاط). وباعتبارها مواد تتدفق بحرية، تحتفظ المعادن السائلة بهذه الخصائص السائبة حتى في ظل التشوه الشديد. لهذا السبب، تم اقتراح استخدامها في الروبوتات الناعمة وأجهزة الرعاية الصحية القابلة للارتداء ، والتي يجب أن تكون قادرة على العمل في ظل التشوه المتكرر. ^{[17] [18]} يُعتبر معدن الجاليوم مرشحًا واعدًا لهذه التطبيقات لأنه سائل بالقرب من درجة حرارة الغرفة، وله سمية منخفضة، ويتبخر ببطء. ^[19]

تُستخدم السوائل أحيانًا في أجهزة القياس. غالبًا ما يستخدم مقياس الحرارة التمدد الحراري للسوائل، مثل الزئبق ، جنبًا إلى جنب مع قدرتها على التدفق للإشارة إلى درجة الحرارة. يستخدم مقياس الضغط وزن السائل للإشارة إلى ضغط الهواء . ^[20]

يشكل السطح الحر للسائل الدوار مكافئًا دائريًا وبالتالي يمكن استخدامه كمنظار . تُعرف هذه المنظارات باسم تلسكوبات المرآة السائلة . ^[21] وهي أرخص بكثير من التلسكوبات التقليدية، ^[22] ولكنها لا يمكنها إلا أن تشير إلى الأعلى مباشرة ( تلسكوب سمت ). الخيار الشائع للسائل هو الزئبق.

يتم قياس كميات السوائل بوحدات الحجم . وتشمل هذه وحدة النظام الدولي للوحدات المتر المكعب (م ³ ) وأقسامها، وخاصة الديسيمتر المكعب، والذي يُطلق عليه عادةً اللتر (1 ديسيمتر ^مكعب = 1 لتر = 0.001 متر ^مكعب )، والسنتيمتر المكعب، والذي يُطلق عليه أيضًا المليلتر (1 سم ³ = 1 مل = 0.001 لتر = 10 ⁻⁶ متر ^مكعب ). ^[23]

يتحدد حجم كمية السائل بدرجة حرارته وضغطه . تتمدد السوائل عمومًا عند تسخينها، وتنكمش عند تبريدها. يشكل الماء بين 0 درجة مئوية و4 درجات مئوية استثناءً ملحوظًا. ^[24]

من ناحية أخرى، تتمتع السوائل بقدر ضئيل من الانضغاط . على سبيل المثال، سوف ينضغط الماء بمقدار 46.4 جزء في المليون فقط لكل وحدة زيادة في الضغط الجوي (بار). ^[25] عند حوالي 4000 بار (400 ميجا باسكال أو 58000 رطل لكل بوصة مربعة) من الضغط في درجة حرارة الغرفة، يتعرض الماء لانخفاض في الحجم بنسبة 11٪ فقط. ^[26] تجعل عدم الانضغاط السوائل مناسبة لنقل الطاقة الهيدروليكية ، لأن التغيير في الضغط عند نقطة واحدة في السائل ينتقل دون نقصان إلى كل جزء آخر من السائل ولا يُفقد سوى القليل جدًا من الطاقة في شكل ضغط. ^[27]

ومع ذلك، فإن قابلية الضغط الضئيلة تؤدي إلى ظواهر أخرى. يحدث قرع الأنابيب، والذي يسمى مطرقة الماء ، عندما يتم إغلاق الصمام فجأة، مما يخلق ارتفاعًا هائلاً في الضغط عند الصمام الذي ينتقل للخلف عبر النظام بسرعة أقل بقليل من سرعة الصوت. ظاهرة أخرى ناجمة عن عدم قابلية السائل للضغط هي التجويف . نظرًا لأن السوائل تتمتع بمرونة قليلة ، فيمكن سحبها حرفيًا في مناطق ذات اضطراب عالٍ أو تغيير كبير في الاتجاه، مثل الحافة الخلفية لمروحة القارب أو الزاوية الحادة في الأنبوب. يتبخر السائل في منطقة ذات ضغط منخفض (فراغ) ويشكل فقاعات، والتي تنهار بعد ذلك عند دخولها مناطق الضغط العالي. يتسبب هذا في ملء السائل للتجاويف التي خلفتها الفقاعات بقوة موضعية هائلة، مما يؤدي إلى تآكل أي سطح صلب مجاور. ^[28]

في مجال الجاذبية ، تمارس السوائل ضغطًا على جوانب الحاوية وكذلك على أي شيء داخل السائل نفسه. ينتقل هذا الضغط في جميع الاتجاهات ويزداد مع العمق. إذا كان السائل في حالة سكون في مجال جاذبية موحد، فإن الضغط عند العمق يعطى بواسطة ^[29]${\displaystyle p}$${\displaystyle z}$

${\displaystyle p=p_{0}+\rho gz\,}$

أين:

${\displaystyle p_{0}\,}$هو الضغط على السطح

${\displaystyle \rho \,}$هي كثافة السائل، ويفترض أنها موحدة مع العمق

${\displaystyle g\,}$هو تسارع الجاذبية

بالنسبة لمساحة مائية مفتوحة على الهواء، سيكون الضغط الجوي . ${\displaystyle p_{0}}$

تظهر السوائل الساكنة في مجالات الجاذبية المنتظمة أيضًا ظاهرة الطفو ، حيث تتعرض الأجسام المغمورة في السائل لقوة صافية بسبب تغير الضغط مع العمق. يساوي حجم القوة وزن السائل الذي يزيحه الجسم، ويعتمد اتجاه القوة على الكثافة المتوسطة للجسم المغمور. إذا كانت الكثافة أقل من كثافة السائل، فإن قوة الطفو تشير إلى الأعلى ويطفو الجسم، بينما إذا كانت الكثافة أكبر ، فإن قوة الطفو تشير إلى الأسفل ويغرق الجسم. يُعرف هذا بمبدأ أرخميدس . ^[30]

ما لم يتطابق حجم السائل تمامًا مع حجم الحاوية الخاصة به، يتم ملاحظة سطح واحد أو أكثر. يؤدي وجود السطح إلى ظهور ظواهر جديدة غير موجودة في السائل السائب. وذلك لأن الجزيء الموجود على السطح يمتلك روابط مع جزيئات سائلة أخرى فقط على الجانب الداخلي من السطح، مما يعني قوة صافية تسحب جزيئات السطح إلى الداخل. وعلى نحو مكافئ، يمكن وصف هذه القوة من حيث الطاقة: هناك كمية ثابتة من الطاقة مرتبطة بتكوين سطح لمنطقة معينة. هذه الكمية هي خاصية مادية تسمى التوتر السطحي ، بوحدات الطاقة لكل وحدة مساحة (وحدات النظام الدولي للوحدات: J / m ² ). تميل السوائل ذات القوى الجزيئية القوية إلى أن يكون لها توترات سطحية كبيرة. ^[31]

إن أحد الآثار العملية للتوتر السطحي هو أن السوائل تميل إلى تقليل مساحة سطحها، وتشكيل قطرات فقاعات كروية ما لم تكن هناك قيود أخرى. التوتر السطحي مسؤول عن مجموعة من الظواهر الأخرى أيضًا، بما في ذلك الموجات السطحية ، والعمل الشعري ، والبلل ، والتموجات . في السوائل تحت الحبس النانوي ، يمكن أن تلعب التأثيرات السطحية دورًا مهيمنًا نظرًا لأن نسبة أكبر بكثير من الجزيئات تقع بالقرب من السطح مقارنة بعينة كبيرة من السائل.

يؤثر التوتر السطحي للسائل بشكل مباشر على قابليته للبلل . تتمتع معظم السوائل الشائعة بتوترات تتراوح في عشرات من mJ/m ² ، لذلك يمكن لقطرات الزيت أو الماء أو الغراء أن تندمج بسهولة وتلتصق بالأسطح الأخرى، في حين أن المعادن السائلة مثل الزئبق قد يكون لها توترات تتراوح في مئات من mJ/m ² ، وبالتالي لا تتحد القطرات بسهولة وقد تبتل الأسطح فقط في ظل ظروف معينة.

تشغل التوترات السطحية للسوائل الشائعة نطاقًا ضيقًا نسبيًا من القيم عند تعرضها لظروف متغيرة مثل درجة الحرارة، وهو ما يتناقض بشدة مع التباين الهائل الذي نراه في الخصائص الميكانيكية الأخرى، مثل اللزوجة. ^[32]

يتأثر السطح الحر للسائل بالجاذبية ( التسطح ) والأمواج ( خشونة السطح ).

اللزوجة هي إحدى الخصائص الفيزيائية المهمة التي تميز تدفق السوائل . وبشكل بديهي، تصف اللزوجة مقاومة السائل للتدفق.

من الناحية الفنية، تقيس اللزوجة مقاومة السائل للتشوه بمعدل معين، مثل عندما يتم قصه بسرعة محدودة. ^[33] مثال محدد هو سائل يتدفق عبر أنبوب: في هذه الحالة يتعرض السائل لتشوه القص لأنه يتدفق بشكل أبطأ بالقرب من جدران الأنبوب مقارنة بالمركز. ونتيجة لذلك، فإنه يُظهر مقاومة لزجة للتدفق. من أجل الحفاظ على التدفق، يجب تطبيق قوة خارجية، مثل فرق الضغط بين طرفي الأنبوب.

تنخفض لزوجة السوائل مع زيادة درجة الحرارة. ^[34]

يعد التحكم الدقيق في اللزوجة أمرًا مهمًا في العديد من التطبيقات، وخاصة صناعة التشحيم. إحدى الطرق لتحقيق مثل هذا التحكم هي مزج سائلين أو أكثر من اللزوجة المختلفة بنسب دقيقة. ^[35] بالإضافة إلى ذلك، توجد إضافات مختلفة يمكنها تعديل اعتماد اللزوجة على درجة الحرارة في زيوت التشحيم. هذه القدرة مهمة لأن الآلات تعمل غالبًا على نطاق من درجات الحرارة (انظر أيضًا مؤشر اللزوجة ). ^[36]

يمكن أن يكون السلوك اللزج للسائل إما نيوتنيًا أو غير نيوتني . يُظهر السائل النيوتوني منحنى إجهاد/شد خطيًا، مما يعني أن لزوجته مستقلة عن الوقت أو معدل القص أو تاريخ معدل القص. تشمل أمثلة السوائل النيوتونية الماء أو الجلسرين أو زيت المحرك أو العسل أو الزئبق. السائل غير النيوتوني هو السائل الذي لا تكون اللزوجة فيه مستقلة عن هذه العوامل وتتكاثف (تزيد اللزوجة) أو ترقق (تقل اللزوجة) تحت القص. تشمل أمثلة السوائل غير النيوتونية محاليل الكاتشب أو الكاسترد أو النشا . ^[37]

تُعطى سرعة الصوت في السائل من خلال حيث معامل المرونة للسائل والكثافة. على سبيل المثال، يبلغ معامل المرونة للماء حوالي 2.2  جيجاباسكال وكثافته 1000 كجم/م ³ ، مما يعطي c = 1.5 كم/ثانية. ^[38]${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$${\displaystyle K}$${\displaystyle \rho }$

عند درجة حرارة أقل من نقطة الغليان ، تتبخر أي مادة في صورة سائلة حتى تصل إلى حالة التوازن مع العملية العكسية لتكثيف بخارها. عند هذه النقطة، يتكثف البخار بنفس معدل تبخر السائل. وبالتالي، لا يمكن للسائل أن يوجد بشكل دائم إذا تمت إزالة السائل المتبخر باستمرار. ^[39] يغلي السائل عند نقطة الغليان أو أعلى منها بشكل طبيعي، على الرغم من أن التسخين الزائد يمكن أن يمنع ذلك في ظروف معينة.

عند درجة حرارة أقل من نقطة التجمد، يميل السائل إلى التبلور ، ويتغير إلى شكله الصلب. وعلى عكس الانتقال إلى الغاز، لا يوجد توازن عند هذا الانتقال تحت ضغط ثابت، ^{[ بحاجة لمصدر ]} لذا ما لم يحدث التبريد الفائق ، فإن السائل سوف يتبلور تمامًا في النهاية. ومع ذلك، هذا صحيح فقط تحت ضغط ثابت، بحيث (على سبيل المثال) قد يصل الماء والجليد في وعاء قوي مغلق إلى حالة توازن حيث يتعايش كلا المرحلتين. للانتقال المعاكس من الصلب إلى السائل، انظر الذوبان .

يوضح مخطط الطور سبب عدم وجود السوائل في الفضاء أو أي فراغ آخر. نظرًا لأن الضغط يساوي صفرًا في الأساس (باستثناء الأسطح أو الأجزاء الداخلية للكواكب والأقمار)، فإن الماء والسوائل الأخرى المعرضة للفضاء إما تغلي أو تتجمد على الفور اعتمادًا على درجة الحرارة. في مناطق الفضاء القريبة من الأرض، يتجمد الماء إذا لم تكن الشمس تشرق عليه مباشرة ويتبخر (يتصاعد) بمجرد تعرضه لأشعة الشمس. إذا كان الماء موجودًا على شكل جليد على القمر، فلا يمكن أن يوجد إلا في ثقوب مظللة حيث لا تشرق الشمس أبدًا وحيث لا تسخن الصخور المحيطة به كثيرًا. في مرحلة ما بالقرب من مدار زحل، يكون ضوء الشمس خافتًا جدًا بحيث لا يؤدي إلى تصعيد الجليد إلى بخار ماء. يتضح هذا من طول عمر الجليد الذي يتكون منه حلقات زحل. ^[40]

يمكن للسوائل أن تشكل محاليل مع الغازات والمواد الصلبة والسوائل الأخرى.

يقال إن سائلين قابلان للامتزاج إذا كان بإمكانهما تكوين محلول بأي نسبة؛ وإلا فهما غير قابلين للامتزاج. على سبيل المثال، الماء والإيثانول (كحول الشرب) قابلان للامتزاج بينما الماء والبنزين غير قابلين للامتزاج. ^[41] في بعض الحالات، يمكن تثبيت خليط من السوائل غير القابلة للامتزاج لتكوين مستحلب ، حيث يتم تشتيت سائل واحد في السائل الآخر على شكل قطرات مجهرية. وعادةً ما يتطلب هذا وجود مادة فعالة بالسطح لتثبيت القطرات. ومن الأمثلة المألوفة على المستحلب المايونيز ، الذي يتكون من خليط من الماء والزيت يتم تثبيته بواسطة الليسيثين ، وهي مادة موجودة في صفار البيض . ^[42]

إن التركيب المجهري للسوائل معقد وكان تاريخيًا موضوعًا لبحث ومناقشة مكثفة. ^{[43] [44] [45] [46]} يتم شرح بعض الأفكار الرئيسية أدناه.

على المستوى المجهري، تتكون السوائل من تكديس كثيف وغير منظم للجزيئات. وهذا يتناقض مع المرحلتين الأخريين الشائعتين للمادة، الغازات والمواد الصلبة. وعلى الرغم من أن الغازات غير منظمة، فإن الجزيئات منفصلة جيدًا في الفضاء وتتفاعل في المقام الأول من خلال تصادم الجزيئات بالجزيئات. وعلى العكس من ذلك، على الرغم من أن الجزيئات في المواد الصلبة متراصة بكثافة، إلا أنها عادة ما تقع في بنية منتظمة، مثل الشبكة البلورية ( الزجاج استثناء ملحوظ).

في حين أن السوائل لا تظهر ترتيبًا طويل المدى كما هو الحال في الشبكة البلورية، إلا أنها تمتلك ترتيبًا قصير المدى ، والذي يستمر على مدى بضعة أقطار جزيئية. ^{[47] [48]}

في جميع السوائل، تؤدي تفاعلات الحجم المستبعدة إلى إحداث ترتيب قصير المدى في مواضع الجزيئات (إحداثيات مركز الكتلة). والسوائل أحادية الذرة الكلاسيكية مثل الأرجون والكريبتون هي أبسط الأمثلة على ذلك. ويمكن نمذجة مثل هذه السوائل على أنها "أكوام" غير منظمة من الكرات المتراصة بشكل وثيق، ويتوافق الترتيب قصير المدى مع حقيقة أن أقرب وأقرب جيران في مجموعة من الكرات يميلون إلى الانفصال عن طريق مضاعفات صحيحة للقطر. ^{[49] [50]}

في أغلب السوائل، لا تكون الجزيئات كروية، وتتمتع القوى بين الجزيئات باتجاهية، أي أنها تعتمد على التوجه النسبي للجزيئات. ونتيجة لذلك، يوجد ترتيب اتجاهي قصير المدى بالإضافة إلى الترتيب الموضعي المذكور أعلاه. الترتيب الاتجاهي مهم بشكل خاص في السوائل المرتبطة بالهيدروجين مثل الماء. ^{[51] [52]} تعمل قوة وطبيعة اتجاه الروابط الهيدروجينية على دفع تكوين "شبكات" أو "مجموعات" محلية من الجزيئات. ونظرًا للأهمية النسبية للتقلبات الحرارية في السوائل (مقارنة بالمواد الصلبة)، فإن هذه الهياكل ديناميكية للغاية، وتتشوه باستمرار، وتتكسر، وتتشكل. ^{[49] [51]}

تنبع السمات المجهرية للسوائل من التفاعل بين قوى الجذب بين الجزيئات والقوى الإنتروبية . ^[53]

تميل القوى الجاذبة إلى جذب الجزيئات معًا، وإلى جانب التفاعلات التنافرية قصيرة المدى، فهي القوى المهيمنة وراء البنية المنتظمة للمواد الصلبة. لا تُعتبر القوى الإنتروبية "قوى" بالمعنى الميكانيكي؛ بل إنها تصف ميل النظام إلى تعظيم إنتروبيته عند طاقة ثابتة (انظر المجموعة الميكروكنونية ). وبشكل تقريبي، تدفع القوى الإنتروبية الجزيئات بعيدًا عن بعضها البعض، مما يزيد من الحجم الذي تشغله. القوى الإنتروبية مهيمنة في الغازات وتشرح ميل الغازات إلى ملء حاوياتها. على النقيض من ذلك، في السوائل، تكون القوى بين الجزيئات والإنتروبيا قابلة للمقارنة، لذلك ليس من الممكن إهمال إحداهما لصالح الأخرى. من الناحية الكمية، تكون طاقة الربط بين الجزيئات المتجاورة بنفس ترتيب حجم الطاقة الحرارية . ^[54]${\displaystyle k_{\text{B}}T}$

إن المنافسة بين الطاقة والإنتروبيا تجعل من الصعب نمذجة السوائل على المستوى الجزيئي، حيث لا توجد "حالة مرجعية" مثالية يمكن أن تكون بمثابة نقطة انطلاق لوصف نظري قابل للحل. رياضيًا، لا توجد معلمة صغيرة يمكن من خلالها تطوير نظرية اضطراب منهجية . ^[44] يتناقض هذا الموقف مع كل من الغازات والمواد الصلبة. بالنسبة للغازات، تكون الحالة المرجعية هي الغاز المثالي ، ويمكن استخدام الكثافة كمعلمة صغيرة لبناء نظرية للغازات الحقيقية (غير المثالية) (انظر التوسع الفيروسي ). ^[55] بالنسبة للمواد الصلبة البلورية، تكون الحالة المرجعية عبارة عن شبكة بلورية مثالية، والمعلمات الصغيرة المحتملة هي الحركات الحرارية وعيوب الشبكة . ^[51]

مثل جميع أشكال المادة المعروفة، فإن السوائل هي في الأساس ميكانيكية كمية . ومع ذلك، في ظل الظروف القياسية (قرب درجة حرارة الغرفة والضغط)، يمكن فهم الكثير من السلوك الكلي للسوائل من حيث الميكانيكا الكلاسيكية . ^{[54] [56]} تفترض "الصورة الكلاسيكية" أن الجزيئات المكونة هي كيانات منفصلة تتفاعل من خلال قوى بين الجزيئات وفقًا لقوانين نيوتن للحركة . ونتيجة لذلك، يمكن وصف خصائصها الكلية باستخدام الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية . في حين أن قانون القوة بين الجزيئات مشتق تقنيًا من ميكانيكا الكم، فإنه يُفهم عادةً كمدخل نموذجي للنظرية الكلاسيكية، يتم الحصول عليه إما من ملاءمة البيانات التجريبية أو من الحد الكلاسيكي لوصف ميكانيكي الكم. ^{[57] [47]} مثال توضيحي، وإن كان مبسطًا للغاية، هو مجموعة من الجزيئات الكروية التي تتفاعل من خلال جهد لينارد جونز . ^[54]

الجدول 1: أطوال موجات دي برولي الحرارية للسوائل المختارة. ^[54] تكون التأثيرات الكمومية مهملة عندما تكون النسبة صغيرة، حيث هي المسافة المتوسطة بين الجزيئات. ${\displaystyle \Lambda }$${\displaystyle \Lambda /a}$${\displaystyle a}$

سائل	درجة الحرارة (ك)	${\displaystyle \Lambda }$(نانومتر)	${\displaystyle \Lambda /a}$
الهيدروجين ( H2 )	14.1	0.33	0.97
نيون	24.5	0.078	0.26
كريبتون	116	0.018	0.046
رباعي كلوريد الكربون ( CCl4 )	250	0.009	0.017

لكي يتم تطبيق الحد الكلاسيكي، فإن الشرط الضروري هو أن يكون طول موجة دي برولي الحرارية ،

${\displaystyle \Lambda =\left({\frac {2\pi \hbar ^{2}}{mk_{\text{B}}T}}\right)^{1/2}}$

صغير مقارنة بمقياس الطول قيد النظر. ^{[54] [58]} هنا، هو ثابت بلانك و هي كتلة الجزيء. القيم النموذجية لـ هي حوالي 0.01-0.1 نانومتر (الجدول 1). وبالتالي، فإن نموذجًا عالي الدقة للبنية السائلة على مقياس النانو قد يتطلب اعتبارات ميكانيكية كمية. ومن الأمثلة البارزة على ذلك الرابطة الهيدروجينية في السوائل المرتبطة مثل الماء، ^{[59] [60]} حيث، بسبب الكتلة الصغيرة للبروتون، تكون التأثيرات الكمية المتأصلة مثل حركة النقطة الصفرية والنفق مهمة . ^[61]${\displaystyle \hbar }$${\displaystyle m}$${\displaystyle \Lambda }$

لكي يتصرف السائل بشكل كلاسيكي على المستوى الكلي، يجب أن يكون صغيرًا مقارنة بالمسافة المتوسطة بين الجزيئات. ^[54] أي، ${\displaystyle \Lambda }$${\displaystyle a\approx \rho ^{-1/3}}$

${\displaystyle {\frac {\Lambda }{a}}\ll 1}$

تم تقديم القيم التمثيلية لهذه النسبة لعدد قليل من السوائل في الجدول 1. والاستنتاج هو أن التأثيرات الكمومية مهمة للسوائل في درجات الحرارة المنخفضة والكتلة الجزيئية الصغيرة . ^{[54] [56]} بالنسبة للعمليات الديناميكية، هناك قيد زمني إضافي:

${\displaystyle \tau \gg {\frac {h}{k_{B}T}}}$

أين هو المقياس الزمني للعملية قيد النظر. بالنسبة للسوائل في درجة حرارة الغرفة، يكون الجانب الأيمن حوالي 10 ⁻¹⁴ ثانية، مما يعني عمومًا أنه يمكن وصف العمليات المعتمدة على الوقت والتي تنطوي على حركة انتقالية بشكل كلاسيكي. ^[54]${\displaystyle \tau }$

عند درجات حرارة منخفضة للغاية، ينحرف حتى السلوك العياني لبعض السوائل عن الميكانيكا الكلاسيكية. ومن الأمثلة البارزة الهيدروجين والهيليوم. ونظرًا لدرجة حرارتها وكتلتها المنخفضة، فإن مثل هذه السوائل لها طول موجة دي برولي الحراري الذي يضاهي المسافة المتوسطة بين الجزيئات. ^[54]

عبارة عن سرعة الصوت للسائل،

${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$,

يحتوي على معامل الانتشار K. إذا كان K مستقلاً عن التردد، فإن السائل يتصرف كوسيط خطي، بحيث ينتشر الصوت دون تبديد أو اقتران الأنماط . في الواقع، تظهر جميع السوائل بعض التشتت : مع زيادة التردد، ينتقل K من الحد المنخفض التردد الشبيه بالسائل إلى الحد العالي التردد الشبيه بالمادة الصلبة . في السوائل العادية، يحدث معظم هذا التقاطع عند ترددات بين جيجاهرتز وتيراهيرتز، والتي تسمى أحيانًا فرط الصوت . ${\displaystyle K_{0}}$${\displaystyle K_{\infty }}$

عند ترددات أقل من جيجاهيرتز، لا يمكن للسائل العادي أن يتحمل موجات القص : حد التردد الصفري لمعامل القص هو 0. يُنظر إلى هذا أحيانًا على أنه الخاصية المحددة للسائل. ^{[62] [63]} ومع ذلك، مثل معامل القص الكلي K ، فإن معامل القص G يعتمد أيضًا على التردد ويُظهر تقاطعًا مشابهًا عند ترددات فرط الصوتية.

وفقًا لنظرية الاستجابة الخطية ، يصف تحويل فورييه لـ K أو G كيفية عودة النظام إلى التوازن بعد اضطراب خارجي؛ ولهذا السبب، تسمى خطوة التشتت في منطقة جيجاهرتز إلى تيراهرتز أيضًا بالاسترخاء . عندما يتم تبريد السائل بشكل فائق نحو انتقال الزجاج، يزداد وقت الاسترخاء الهيكلي بشكل كبير، مما يفسر السلوك اللزج المرن للسوائل المكونة للزجاج.

ينعكس غياب النظام طويل المدى في السوائل في غياب قمم براج في حيود الأشعة السينية والنيوترونية . في ظل الظروف العادية، يكون نمط الحيود متماثلًا دائريًا، معبرًا عن خواص السائل المتساوية . شعاعيًا، تتذبذب شدة الحيود بسلاسة. يمكن وصف ذلك بعامل البنية الثابتة ، مع رقم الموجة المعطى بطول موجة المسبار (الفوتون أو النيوترون) وزاوية براج . تعبر تذبذبات عن النظام قصير المدى للسائل، أي الارتباطات بين الجزيء و"أغلفة" أقرب الجيران، وأقرب الجيران، وما إلى ذلك. ${\displaystyle S(q)}$${\displaystyle q=(4\pi /\lambda )\sin \theta }$${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle S(q)}$

التمثيل المكافئ لهذه الارتباطات هو دالة التوزيع الشعاعي ، والتي ترتبط بتحويل فورييه لـ . ^[49] وهي تمثل متوسطًا مكانيًا لصورة زمنية لارتباطات الزوج في السائل. ${\displaystyle g(r)}$${\displaystyle S(q)}$

يمكن تنظيم طرق التنبؤ بخصائص السوائل حسب "مقياس" الوصف، أي مقاييس الطول ومقاييس الوقت التي تنطبق عليها. ^{[64] [65]}

• تستخدم الطرق العيانية معادلات تحاكي بشكل مباشر سلوك السوائل على نطاق واسع، مثل خصائصها الحرارية الديناميكية وسلوك تدفقها.
• تستخدم الطرق المجهرية معادلات تحاكي ديناميكيات الجزيئات الفردية.
• وتقع الأساليب الميزوسكوبية في المنتصف، حيث تجمع بين عناصر كل من النماذج المتواصلة والنماذج القائمة على الجسيمات.

الارتباطات التجريبية هي تعبيرات رياضية بسيطة تهدف إلى تقريب خصائص السائل عبر مجموعة من الظروف التجريبية، مثل درجات الحرارة والضغط المتغيرة. ^[66] يتم إنشاؤها من خلال ملاءمة أشكال وظيفية بسيطة للبيانات التجريبية. على سبيل المثال، يتم تقريب اعتماد درجة حرارة اللزوجة السائلة أحيانًا من خلال الدالة ، حيث و هي ثوابت ملائمة. ^[67] تسمح الارتباطات التجريبية بتقديرات فعالة للغاية للخصائص الفيزيائية، والتي يمكن أن تكون مفيدة في المحاكاة الحرارية الفيزيائية. ومع ذلك، فإنها تتطلب بيانات تجريبية عالية الجودة للحصول على ملاءمة جيدة ولا يمكنها استقراء ما هو أبعد من الظروف التي تغطيها التجارب بشكل موثوق. ${\displaystyle \eta (T)=Ae^{B/T}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$

الإمكانات الديناميكية الحرارية هي وظائف تميز حالة التوازن لمادة ما. ومن الأمثلة على ذلك طاقة جيبس ​​الحرة ، وهي دالة للضغط ودرجة الحرارة. إن معرفة أي إمكانية ديناميكية حرارية واحدة تكفي لحساب جميع خصائص التوازن لمادة ما، غالبًا ببساطة عن طريق أخذ مشتقات من . ^[55] وبالتالي، يمكن لارتباط واحد لـ أن يحل محل الارتباطات المنفصلة للخصائص الفردية. ^{[68] [69]} وعلى العكس من ذلك، يمكن دمج مجموعة متنوعة من القياسات التجريبية (مثل الكثافة والسعة الحرارية وضغط البخار) في نفس الملاءمة؛ من حيث المبدأ، سيسمح هذا للمرء بالتنبؤ بخصائص يصعب قياسها مثل السعة الحرارية من حيث قياسات أخرى متاحة بسهولة أكبر (مثل ضغط البخار). ^[70]${\displaystyle G(p,T)}$${\displaystyle {\mathcal {F}}}$${\displaystyle {\mathcal {F}}}$${\displaystyle {\mathcal {F}}}$

تصف النظريات الهيدروديناميكية السوائل من حيث المجالات العيانية المعتمدة على المكان والزمان ، مثل الكثافة والسرعة ودرجة الحرارة. تخضع هذه المجالات لمعادلات تفاضلية جزئية ، والتي يمكن أن تكون خطية أو غير خطية . ^{[71] النظريات الهيدروديناميكية أكثر عمومية من الأوصاف الديناميكية الحرارية المتوازنة، والتي تفترض أن السوائل} متجانسة تقريبًا ولا تعتمد على الزمن. معادلات نافير-ستوكس هي مثال معروف: فهي معادلات تفاضلية جزئية تعطي التطور الزمني للكثافة والسرعة ودرجة حرارة السائل اللزج. هناك العديد من الطرق لحل معادلات نافير-ستوكس ومتغيراتها عدديًا. ^{[72] [73]}

تعمل الطرق الميزوسكوبية على مقاييس الطول والوقت بين مستويات الجسيمات والمتصلة. ولهذا السبب، فهي تجمع بين عناصر ديناميكيات الجسيمات وهيدروديناميكيات المتصل. ^[64]

ومن الأمثلة على ذلك طريقة بولتزمان الشبكية ، والتي تنمذج السائل كمجموعة من الجسيمات الوهمية الموجودة على شبكة. ^[64] تتطور الجسيمات بمرور الوقت من خلال التدفق (الحركة في خط مستقيم) والاصطدامات . من الناحية المفاهيمية، تعتمد على معادلة بولتزمان للغازات المخففة، حيث تتكون ديناميكيات الجزيء من حركة حرة تتخللها تصادمات ثنائية منفصلة، ​​ولكنها تُطبق أيضًا على السوائل. وعلى الرغم من التشابه مع المسارات الجزيئية الفردية، إلا أنها وصف غير دقيق يعمل عادةً على مقاييس طول وزمن أكبر من مقاييس الديناميكيات الجزيئية الحقيقية (ومن هنا جاءت فكرة الجسيمات "الخيالية").

تتضمن الطرق الأخرى التي تجمع بين عناصر ديناميكيات الاستمرارية ومستوى الجسيمات هيدروديناميكيات الجسيمات الملساء ، ^{[74] [75]} وديناميكيات الجسيمات المبددة ، ^[76] وديناميكيات تصادم الجسيمات المتعددة. ^[77]

تعمل طرق المحاكاة المجهرية بشكل مباشر مع معادلات الحركة (الكلاسيكية أو الكمومية) للجزيئات المكونة.

تحاكي الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية السوائل باستخدام قانون نيوتن للحركة؛ ومن قانون نيوتن الثاني ( )، يمكن تتبع مسارات الجزيئات بشكل صريح واستخدامها لحساب خصائص السوائل العيانية مثل الكثافة أو اللزوجة. ومع ذلك، تتطلب الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية تعبيرات للقوى بين الجزيئات (" F " في قانون نيوتن الثاني). وعادةً ما يجب تقريب هذه القوى باستخدام البيانات التجريبية أو بعض المدخلات الأخرى. ^[47]${\displaystyle F=m{\ddot {x}}}$

تحاكي الطرق الميكانيكية الكمومية الأساسية السوائل باستخدام قوانين ميكانيكا الكم والثوابت الذرية الأساسية فقط. ^[57] وعلى النقيض من الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية، فإن حقول القوة بين الجزيئات هي ناتج الحساب، وليس مدخلاً يعتمد على القياسات التجريبية أو الاعتبارات الأخرى. من حيث المبدأ، يمكن للطرق الأساسية محاكاة خصائص سائل معين دون أي بيانات تجريبية مسبقة. ومع ذلك، فهي مكلفة للغاية من الناحية الحسابية، وخاصة بالنسبة للجزيئات الكبيرة ذات البنية الداخلية.