液体

液体は、容器の形状に順応しながらも圧力に関わらずほぼ一定の体積を保つ、ほぼ非圧縮性の 流体です。これは物質の 4 つの基本状態(他の 3 つは固体、気体、プラズマ) の 1 つであり、一定の体積を持ちながら形状が固定されていない唯一の状態です。

液体の密度は通常、固体の密度に近く、気体の密度よりもはるかに高くなります。そのため、液体と固体は両方とも凝縮物質と呼ばれます。一方、液体と気体は流動性を共有するため、どちらも流体と呼ばれます。

液体は、分子間結合によって結合された原子などの小さな振動する物質粒子で構成されています。気体と同様に、液体は流動し、容器の形状をとることができます。気体とは異なり、液体はほぼ一定の密度を維持し、容器のすべてのスペースを満たすように拡散することはありません。

地球上には液体の水が豊富にありますが、この物質の状態は、液体が存在するためには比較的狭い温度/圧力範囲を必要とするため、既知の宇宙では実際には最も一般的ではありません。宇宙で知られている物質のほとんどは、ガス（星間雲など）またはプラズマ（恒星など）です。

液体は、物質の 4 つの基本状態のうちの 1 つで、他の 3 つは固体、気体、プラズマです。液体は流体です。固体とは異なり、液体内の分子ははるかに自由に動きます。固体内の分子を結合する力は液体内では一時的なものであり、液体は流動しますが、固体は硬いままです。

液体は、気体と同様に、流体の特性を示します。液体は流動し、容器の形状をとり、密閉された容器に入れられた場合、加えられた圧力を容器内のすべての表面に均等に分散します。液体を袋に入れた場合、どのような形にも圧縮できます。気体とは異なり、液体はほぼ非圧縮性であり、つまり、広範囲の圧力にわたってほぼ一定の体積を占めます。通常、液体は容器内の利用可能なスペースを埋めるように膨張することはなく、独自の表面を形成し、他の液体と必ずしも容易に混ざるとは限りません。これらの特性により、液体は油圧などの用途に適しています。

液体の粒子はしっかりと結合していますが、固く結合しているわけではありません。粒子は互いに自由に動き回ることができるため、粒子の可動性は限られています。温度が上昇すると、分子の振動が増加し、分子間の距離が広がります。液体が沸点に達すると、分子を密接に結合している凝集力が壊れ、液体は気体状態に変わります（過熱が発生しない限り）。温度が下がると、分子間の距離は狭くなります。液体が凝固点に達すると、通常、分子は結晶化と呼ばれる非常に特殊な秩序に固定され、分子間の結合がより強固になり、液体は固体状態に変わります（過冷却が発生しない限り）。

標準温度・標準圧力下で液体である元素は、水銀と臭素の2つだけです。さらに、融点が室温よりわずかに高い元素が4つあります。フランシウム、セシウム、ガリウム、ルビジウムです。[1] さらに、個々の元素が同じ条件下で固体であっても、特定の元素の混合物は室温で液体です（共晶混合物を参照）。例としては、ナトリウム-カリウム金属^合金NaKがあります。^[2]室温で液体である他の金属合金には、ガリウム-インジウム-スズ合金で融点が-19 °C（-2 °F）のガリンスタンや、一部のアマルガム（水銀を含む合金）があります。^[3]

通常の状態で液体である純粋な物質には、水、エタノール、その他多くの有機溶媒が含まれます。液体の水は化学と生物学において極めて重要であり、既知のすべての生命体にとって必要です。^{[4] [5]}

無機液体には、水、マグマ、無機非水溶媒、多くの酸が含まれます。

日常的に使用される重要な液体には、家庭用漂白剤のような水溶液、鉱油やガソリンなどのさまざまな物質の混合物、ビネグレットソースやマヨネーズのような乳化物、血液のような懸濁液、塗料や牛乳のようなコロイドなどがあります。

多くのガスは冷却によって液化することができ、液体酸素、液体窒素、液体水素、液体ヘリウムなどの液体を生成します。ただし、すべてのガスが大気圧で液化できるわけではありません。たとえば、二酸化炭素は5.1気圧以上の圧力でのみ液化できます。^[6]

いくつかの物質は古典的な物質の3つの状態に分類できません。例えば、液晶（液晶ディスプレイに使用）は固体のような性質と液体のような性質の両方を持ち、液体や固体とは異なる独自の物質状態に属します。^[7]

液体は、固体材料の間に薄く自由に流れる層を形成できるため、潤滑剤として有用です。オイルなどの潤滑剤は、部品の動作温度範囲全体に適した粘度と流動特性に基づいて選択されます。オイルは、その優れた潤滑特性から、エンジン、ギアボックス、金属加工、油圧システムでよく使用されます。 ^[8]

多くの液体は、他の液体や固体を溶かすための溶媒として使われています。溶液は、塗料、シーラント、接着剤など、さまざまな用途に使われています。ナフサとアセトンは、部品や機械から油、グリース、タールを取り除くために産業界でよく使われています。体液は水ベースの溶液です。

界面活性剤は石鹸や洗剤によく含まれています。アルコールなどの溶剤は抗菌剤としてよく使用されます。化粧品、インク、液体染料レーザーにも含まれています。食品業界では、植物油の抽出などのプロセスで使用されています。^[9]

液体は気体よりも熱伝導率が高い傾向があり、流動性があるため、機械部品から余分な熱を取り除くのに適しています。熱は、ラジエーターなどの熱交換器に液体を通すことで取り除くことも、蒸発時に液体とともに取り除くこともできます。^[10]水またはグリコールの冷却剤は、エンジンの過熱を防ぐために使用されます。^[11]原子炉で使用される冷却剤には、水またはナトリウムやビスマスなどの液体金属が含まれます。^[12]液体推進剤フィルムは、ロケットの推力室を冷却するために使用されます。^[13]機械加工では、水と油を使用して、発生した余分な熱を取り除きます。余分な熱は、ワークピースとツールの両方をすぐに損傷する可能性があります。発汗中、汗は蒸発することによって人体から熱を取り除きます。暖房、換気、空調業界（HVAC）では、水などの液体を使用して、ある領域から別の領域に熱を移動させます。^[14]

液体は優れた熱伝達能力があるため、調理によく使用されます。熱伝導に加えて、液体は対流によってエネルギーを伝達します。特に、温かい流体は膨張して上昇し、冷たい部分は収縮して沈むため、動粘度が低い液体は対流によってほぼ一定の温度で熱を伝達する傾向があり、このため液体はブランチング、煮沸、または揚げ物に適しています。ガスを液体に凝縮すると、さらに高い熱伝達率を実現できます。液体の沸点では、すべての熱エネルギーが液体からガスへの相変化を引き起こすために使用され、温度の上昇は伴わず、化学ポテンシャルエネルギーとして蓄えられます。ガスが液体に凝縮すると、この余分な熱エネルギーが一定の温度で放出されます。この現象は、蒸し料理などのプロセスで使用されます。

液体は沸点が異なることが多いため、液体や気体の混合物や溶液は、通常、熱、冷気、真空、圧力などの手段を使用して蒸留によって分離できます。蒸留は、アルコール飲料の製造から石油精製、アルゴン、酸素、窒素、ネオン、キセノンなどのガスの液化（個々の沸点以下に冷却）による極低温蒸留まで、あらゆるところで見られます。^[15]

液体は油圧システムの主要構成要素であり、パスカルの法則を利用して流体力を提供します。ポンプや水車などの装置は、古代から液体の動きを機械的な仕事に変換するために使用されてきました。油は油圧ポンプに押し込まれ、この力が油圧シリンダーに伝達されます。油圧は、自動車のブレーキやトランスミッション、重機、飛行機の制御システムなど、多くの用途に使用されています。さまざまな油圧プレスは、修理や製造の分野で、持ち上げ、プレス、クランプ、成形に広く使用されています。^[16]

液体金属は、特に導電性と力の伝達能力（非圧縮性）など、センシングやアクチュエーションに役立つ特性をいくつか備えています。自由に流動する物質である液体金属は、極端な変形下でもこれらのバルク特性を維持します。このため、液体金属は、繰り返し変形しても動作する必要があるソフトロボットやウェアラブルヘルスケア機器での使用が提案されています。 ^{[17] [18]}金属ガリウムは、室温近くで液体であり、毒性が低く、蒸発が遅いため、これらの用途の有望な候補と考えられています。^[19]

液体は計測機器に使われることがあります。温度計は水銀などの液体の熱膨張と流動性を利用して温度を表示します。圧力計は液体の重さを利用して気圧を表示します。^[20]

回転する液体の自由表面は円形の放物面を形成するため、望遠鏡として使用することができます。これらは液体鏡望遠鏡として知られています。^[21]従来の望遠鏡よりも大幅に安価ですが、^[22]真上（天頂望遠鏡）にしか向けることができません。液体としてよく選ばれるのは水銀です。

液体の量は体積の単位で測定されます。これにはSI単位系である立方メートル（m ³）とその単位系、特に立方デシメートル（より一般的にはリットル（1 dm ³ = 1 L = 0.001 m ³）と呼ばれる）や立方センチメートル（ミリリットル（1 cm ³ = 1 mL = 0.001 L = 10 ⁻⁶ m ³）とも呼ばれる）が含まれます。^[23]

液体の体積は温度と圧力によって決まります。液体は一般的に加熱すると膨張し、冷却すると収縮します。0℃から4℃の水は例外です。^[24]

一方、液体は圧縮性が低い。例えば、水は大気圧（バール）の単位増加につき46.4 ppmしか圧縮されない。 ^[25]室温で約4000バール（400メガパスカルまたは58,000 psi ）の圧力がかかると、水の体積はわずか11%しか減少しない。 ^{[26]液体は非圧縮性であるため、}水力動力の伝達に適している。液体内のある地点での圧力変化は液体の他のすべての部分に減衰することなく伝達され、圧縮という形で失われるエネルギーはごくわずかである。^[27]

しかし、無視できるほどの圧縮性は、他の現象を引き起こします。ウォーターハンマーと呼ばれるパイプの衝撃は、バルブが突然閉じられたときに発生し、バルブに大きな圧力スパイクが発生し、音速よりわずかに低い速度でシステムを逆方向に伝わります。液体の非圧縮性によって引き起こされる別の現象は、キャビテーションです。液体は弾性がほとんどないため、ボートのスクリューの後縁やパイプの鋭い角など、乱流が激しい場所や方向が劇的に変わる場所では、文字通り引き離される可能性があります。低圧（真空）の領域にある液体は蒸発して泡を形成し、高圧領域に入ると崩壊します。これにより、液体は泡が残した空洞を非常に大きな局所的な力で満たし、隣接する固体表面を侵食します。^[28]

重力場においては、液体は容器の側面だけでなく、液体自体の中にあるものすべてに圧力をかける。この圧力はあらゆる方向に伝わり、深さとともに増加する。液体が均一な重力場内で静止している場合、深さにおける圧力は^[29]で与えられる。${\displaystyle p}$${\displaystyle z}$

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

どこ：

${\displaystyle p_{0}\,}$表面の圧力は

${\displaystyle \rho \,}$液体の密度は深さに応じて一定であると仮定される

${\displaystyle g\,}$重力加速度は

空気中に開かれた水域の場合、大気圧になります。 ${\displaystyle p_{0}}$

均一な重力場にある静止した液体は浮力の現象も示す。浮力とは、液体に浸された物体が深さによる圧力変化により正味の力を受ける現象である。力の大きさは物体が押しのけた液体の重さに等しく、力の方向は液体に浸された物体の平均密度によって決まる。密度が液体の密度より小さい場合、浮力は上向きになり物体は浮き、密度が大きい場合、浮力は下向きになり物体は沈む。これはアルキメデスの原理として知られている。^[30]

液体の体積が容器の体積と正確に一致しない限り、1つまたは複数の表面が観察されます。表面の存在は、バルク液体には存在しない新しい現象をもたらします。これは、表面の分子が表面の内側でのみ他の液体分子と結合しているため、表面分子を内側に引っ張る正味の力が発生することを意味します。同様に、この力はエネルギーの観点から説明できます。つまり、特定の面積の表面を形成するには、一定量のエネルギーが必要です。この量は表面張力と呼ばれる物質特性であり、単位面積あたりのエネルギーの単位です（SI単位：J / m ²）。分子間力が強い液体は、表面張力が大きい傾向があります。^[31]

表面張力の実際的な意味合いは、液体は表面積を最小化しようとするため、他の制約がない限り、球状の滴や泡を形成するということです。表面張力は、表面波、毛細管現象、濡れ、波紋など、他のさまざまな現象にも関係しています。ナノスケールに閉じ込められた液体では、表面効果が支配的な役割を果たすことがあります。これは、液体のマクロサンプルと比較して、はるかに大きな割合の分子が表面近くにあるためです。

液体の表面張力は、その濡れ性に直接影響します。最も一般的な液体の表面張力は数十 mJ/m ²の範囲にあるため、油、水、接着剤の液滴は簡単に融合して他の表面に付着しますが、水銀などの液体金属は数百 mJ/m ²の範囲の張力があるため、液滴は簡単には結合せず、表面は特定の条件下でのみ濡れます。

一般的な液体の表面張力は、温度などの変化する条件にさらされると比較的狭い範囲の値を占めますが、これは粘度などの他の機械的特性に見られる大きな変動とは対照的です。^[32]

液体の自由表面は重力（平坦性）と波（表面粗さ）によって乱されます。

液体の流れを特徴付ける重要な物理的特性は粘度です。直感的に言えば、粘度は液体の流れに対する抵抗を表します。

より技術的には、粘度は、例えば有限速度でせん断されているときなど、与えられた速度での液体の変形に対する抵抗を測定します。^[33]具体的な例としては、パイプを流れる液体があります。この場合、液体はパイプの中心付近よりも壁付近でゆっくりと流れるため、せん断変形を受けます。その結果、流れに対して粘性抵抗を示します。流れを維持するためには、パイプの両端の圧力差などの外力を加える必要があります。

液体の粘度は温度の上昇とともに低下する。^[34]

粘度の正確な制御は多くの用途、特に潤滑業界で重要です。このような制御を実現する方法の1つは、粘度の異なる2つ以上の液体を正確な比率で混合することです。^[35] さらに、潤滑油の粘度の温度依存性を調整できるさまざまな添加剤が存在します。機械はさまざまな温度範囲で動作することが多いため、この機能は重要です（粘度指数も参照）。^[36]

液体の粘性挙動は、ニュートン流体と非ニュートン流体のいずれかである。ニュートン流体は、ひずみ/応力曲線が直線的であるため、粘度は時間、せん断速度、せん断速度履歴に依存しない。ニュートン流体の例としては、水、グリセリン、モーターオイル、蜂蜜、水銀などが​​ある。非ニュートン流体は、粘度がこれらの要因に依存し、せん断によって濃くなる（粘度が上昇）か薄くなる（粘度が減少）流体である。非ニュートン流体の例としては、ケチャップ、カスタード、デンプン溶液などがある。^[37]

液体中の音速は、液体の体積弾性率と密度で表されます。例えば、水の体積弾性率は約2.2GPa  、密度は1000kg/m3なので^、 c = 1.5km/sとなります。 [ ^38]${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$${\displaystyle K}$${\displaystyle \rho }$

沸点以下の温度では、液体の物質は蒸発し、その逆の過程である蒸気の凝縮と平衡に達する。この時点で、蒸気は液体の蒸発と同じ速度で凝縮する。したがって、蒸発した液体が継続的に除去されると、液体は永久に存在できない。^[39]沸点以上の液体は通常沸騰するが、特定の状況では過熱によってこれを防ぐことができる。

凝固点以下の温度では、液体は結晶化し、固体に変化する傾向があります。気体への転移とは異なり、一定圧力下ではこの転移で平衡は存在しないため、^{[出典が必要] 、}過冷却が発生しない限り、液体は最終的に完全に結晶化します。ただし、これは一定圧力下でのみ当てはまるため、たとえば密閉された強力な容器内の水と氷は、両方の相が共存する平衡に達する可能性があります。固体から液体への逆の転移については、融解を参照してください。

状態図は、宇宙やその他の真空に液体が存在しない理由を説明しています。圧力は基本的にゼロであるため（惑星や衛星の表面または内部を除く）、宇宙にさらされた水やその他の液体は、温度に応じてすぐに沸騰するか凍結します。地球に近い宇宙の領域では、水は太陽が直接当たらなければ凍結し、日光を浴びるとすぐに蒸発（昇華）します。水が月で氷として存在する場合、太陽が当たらず、周囲の岩石によって過度に加熱されない影の穴にのみ存在できます。土星の軌道付近のどこかの地点では、太陽からの光が弱すぎて氷を水蒸気に昇華させることができません。これは、土星の環を構成する氷の寿命の長さから明らかです。^[40]

液体は、気体、固体、および他の液体と 溶液を形成できます。

2 つの液体は、どのような割合でも溶液を形成できる場合、混和性があると言われます。そうでない場合は混和しません。たとえば、水とエタノール(飲料用アルコール) は混和しますが、水とガソリンは混和しません。^[41]場合によっては、混和しない液体の混合物を安定化させて、一方の液体がもう一方の液体全体に微細な液滴として分散しているエマルジョンを形成できます。通常、これには液滴を安定化するための界面活性剤が必要です。エマルジョンのよく知られた例はマヨネーズで、これは水と油の混合物で構成され、卵黄に含まれる物質であるレシチンによって安定化されています。^[42]

液体の微視的構造は複雑であり、歴史的に熱心な研究と議論の対象となってきた。^{[43] [44] [45] [46]}以下にいくつかの重要な考え方を説明する。

微視的に見ると、液体は分子が密集して無秩序に詰まったものです。これは、物質の他の 2 つの一般的な相である気体と固体とは対照的です。気体は無秩序ですが、分子は空間的に十分に分離されており、主に分子同士の衝突によって相互作用します。逆に、固体の分子は密集していますが、通常は結晶格子などの規則的な構造をとります(ガラスは顕著な例外です)。

液体は結晶格子のような長距離秩序を示さないが、数分子の直径にわたって持続する短距離秩序を有する。 ^{[47] [48]}

すべての液体において、排除体積相互作用は分子の位置（質量中心座標）に短距離秩序を誘発する。アルゴンやクリプトンのような古典的な単原子液体は最も単純な例である。このような液体は、密集した球の無秩序な「山」としてモデル化することができ、短距離秩序は、球の詰め込みにおいて最も近い隣と次に近い隣が直径の整数倍で隔てられる傾向があるという事実に対応する。^{[49] [50]}

ほとんどの液体では、分子は球体ではなく、分子間力は方向性を持ち、つまり分子の相対的な配向に依存します。その結果、前述の位置秩序に加えて、短距離の配向秩序が存在します。配向秩序は、水のような水素結合液体では特に重要です。^{[51] [52]}水素結合の強さと方向性により、分子の局所的な「ネットワーク」または「クラスター」の形成が促進されます。液体では熱変動が（固体と比較して）相対的に重要であるため、これらの構造は非常に動的で、継続的に変形、破壊、再形成します。^{[49] [51]}

液体の微視的特徴は分子間引力とエントロピー力の相互作用から生じます。^[53]

引力は分子を互いに引き寄せる傾向があり、短距離の反発力とともに、固体の規則的な構造を支える支配的な力である。エントロピー力は機械的な意味での「力」ではなく、むしろ、一定のエネルギーでエントロピーを最大化するシステムの傾向を説明するものである（ミクロカノニカル集団を参照）。大まかに言えば、エントロピー力は分子を互いに引き離し、分子が占める体積を最大化する。エントロピー力は気体で支配的であり、気体が容器を満たす傾向を説明する。対照的に、液体では、分子間力とエントロピー力は同程度であるため、一方を無視して他方を優先することはできない。定量的に、隣接する分子間の結合エネルギーは熱エネルギーと同じ桁である。^[54]${\displaystyle k_{\text{B}}T}$

エネルギーとエントロピーの競合により、扱いやすい理論的記述の出発点となる理想的な「基準状態」が存在しないことから、液体を分子レベルでモデル化することは困難である。数学的には、体系的な摂動論を展開できる小さなパラメータは存在しない。^[44]この状況は、気体と固体の両方で対照的である。気体の場合、基準状態は理想気体であり、密度は実在（非理想）気体の理論を構築するための小さなパラメータとして使用できる（ビリアル展開を参照）。^{[55]結晶固体の場合、基準状態は完全な結晶格子であり、考えられる小さなパラメータは熱運動と}格子欠陥である。^[51]

既知の物質の形態すべてと同様に、液体は基本的に量子力学的である。しかし、標準条件（室温および常圧付近）では、液体のマクロな挙動の多くは古典力学の観点から理解することができる。^{[54] [56]}「古典的な描像」は、構成分子がニュートンの運動法則に従って分子間力を介して相互作用する離散的な実体であると仮定する。その結果、それらのマクロな特性は古典的な統計力学を使用して記述することができる。分子間力の法則は技術的には量子力学から派生しているが、通常は実験データへの適合または量子力学的記述の古典的な限界から得られる古典理論へのモデル入力として理解されている。^{[57] [47]非常に単純化されているが、わかりやすい例として、}レナード・ジョーンズ・ポテンシャルを介して相互作用する球状分子の集合がある。^[54]

古典的限界が適用されるには、熱ド・ ブロイ波長が

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

は、検討対象の長さスケールに比べて小さい。^{[54] [58]}ここで、はプランク定数、は分子の質量である。の典型的な値は約0.01-0.1ナノメートルである（表1）。したがって、ナノスケールでの液体構造の高解像度モデルには、量子力学的な考慮が必要になる可能性がある。注目すべき例は、水などの関連する液体中の水素結合である。^{[59] [60]}ここでは、陽子の質量が小さいため、ゼロ点運動やトンネル効果などの本質的に量子効果が重要である。^[61]${\displaystyle \hbar }$${\displaystyle m}$${\displaystyle \Lambda }$

液体がマクロレベルで古典的に振る舞うためには、分子間の平均距離と比較して小さくなければならない 。^[54]つまり、 ${\displaystyle \Lambda }$${\displaystyle a\approx \rho ^{-1/3}}$

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

いくつかの液体に対するこの比の代表的な値を表1に示す。結論としては、低温で分子量の小さい液体では量子効果が重要であるということである。^{[54] [56]}動的プロセスの場合、追加の時間スケール制約がある。

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

ここで、考慮しているプロセスの時間スケールである。室温の液体の場合、右辺は約10−14秒であり^、これは一般に並進運動を含む時間依存プロセスが古典的に記述できることを意味する。^[54]${\displaystyle \tau }$

極低温では、特定の液体のマクロ的な挙動さえも古典力学から逸脱する。注目すべき例としては水素とヘリウムが挙げられる。低温と低質量のため、このような液体は分子間の平均距離に匹敵する熱ド・ブロイ波長を持つ。^[54]

液体の音速を表す式は、

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

には体積弾性係数 Kが含まれます。Kが周波数に依存しない場合、液体は線形媒体として動作し、音は散逸やモード結合なしに伝播します。実際には、すべての液体は何らかの分散を示します。周波数が増加すると、K は低周波の液体のような限界から高周波の固体のような限界にクロスオーバーします。通常の液体では、このクロスオーバーのほとんどは GHz から THz の間の周波数で発生し、ハイパーサウンドと呼ばれることもあります。 ${\displaystyle K_{0}}$${\displaystyle K_{\infty }}$

サブGHz周波数では、通常の液体はせん断波に耐えることができません。せん断弾性係数のゼロ周波数限界は0です。これは液体の定義特性と見なされることがあります。^{[62] [63]} しかし、体積弾性係数Kと同様に、せん断弾性係数Gも周波数に依存し、超音速周波数で同様のクロスオーバーを示します。

線形応答理論によれば、 KまたはGのフーリエ変換は、外部摂動後にシステムがどのように平衡に戻るかを説明します。このため、GHz から THz 領域での分散ステップは緩和とも呼ばれます。液体がガラス転移に向かって過冷却されると、構造緩和時間は指数関数的に増加し、これがガラス形成液体の粘弾性挙動を説明します。

液体に長距離秩序が存在しないことは、 X 線回折および中性子回折におけるブラッグ ピークの欠如に反映されています。通常の状態では、回折パターンは円形対称性を示し、液体の等方性を表します。放射状に、回折強度は滑らかに振動します。これは静的構造因子によって記述でき、波数はプローブ (光子または中性子) の波長とブラッグ角によって与えられます。 の振動は、液体の短距離秩序、つまり分子と、最近接分子、次近接分子などの「殻」との間の相関関係を表します。 ${\displaystyle S(q)}$${\displaystyle q=(4\pi /\lambda )\sin \theta }$${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle S(q)}$

これらの相関関係の同等の表現は、のフーリエ変換に関連する動径分布関数 である。^[49]これは、液体中のペア相関の時間的スナップショットの空間平均を表す。 ${\displaystyle g(r)}$${\displaystyle S(q)}$

液体の特性を予測する方法は、その記述の「スケール」、つまり、それが適用される長さスケールと時間スケールによって整理することができる。 ^{[64] [65]}

• マクロ的手法では、熱力学的特性や流動挙動など、液体の​​大規模な挙動を直接モデル化する方程式を使用します。
• 微視的手法では、個々の分子のダイナミクスをモデル化する方程式を使用します。
• メソスコピック法は、連続体モデルと粒子ベースモデルの両方の要素を組み合わせた中間に位置します。

経験的相関は、温度や圧力の変化など、さまざまな実験条件における液体の特性を近似することを目的とした単純な数式です。^{[66]これらは、単純な関数形式を実験データに}当てはめることによって構築されます。たとえば、液体の粘度の温度依存性は、関数 で近似されることがあります。ここで、 と はフィッティング定数です。^[67]経験的相関により、物理的特性を非常に効率的に推定できるため、熱物理シミュレーションに役立ちます。ただし、良好な適合を得るには高品質の実験データが必要であり、実験でカバーされた条件を超えて確実に外挿することはできません。 ${\displaystyle \eta (T)=Ae^{B/T}}$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$

熱力学的ポテンシャルは、物質の平衡状態を特徴付ける関数である。一例として、ギブスの自由エネルギー は、圧力と温度の関数である。熱力学的ポテンシャルを 1 つ知っていれば、物質のすべての平衡特性を計算するのに十分であり、多くの場合、単に を導関数に取るだけでよい。^[55]したがって、 の単一の相関関係は、個々の特性の個別の相関関係を置き換えることができる。^{[68] [69]}逆に、さまざまな実験測定値（密度、熱容量、蒸気圧など）を同じフィットに組み込むことができる。原理的には、これにより、熱容量などの測定が難しい特性を、より容易に利用できる他の測定値（蒸気圧など）で予測することができる。^[70]${\displaystyle G(p,T)}$${\displaystyle {\mathcal {F}}}$${\displaystyle {\mathcal {F}}}$${\displaystyle {\mathcal {F}}}$

流体力学理論は、密度、速度、温度などの空間および時間に依存するマクロな場の観点から液体を記述する。これらの場は、線形または非線形の偏微分方程式に従う。^{[71]流体力学理論は、液体がほぼ}均質で時間に依存しないと仮定する平衡熱力学的記述よりも一般的である。ナビエ・ストークス方程式はよく知られた例であり、粘性流体の密度、速度、温度の時間発展を与える偏微分方程式である。ナビエ・ストークス方程式とその変種を数値的に解く方法は数多くある。^{[72] [73]}

メソスコピック法は、粒子レベルと連続体レベルの間の長さと時間のスケールで動作します。このため、粒子ベースの力学と連続体流体力学の要素を組み合わせています。^[64]

一例として、格子ボルツマン法が挙げられます。これは、流体を格子上に存在する架空の粒子の集合としてモデル化します。^[64]粒子は、流れ（直線運動）と衝突を通じて時間とともに進化します。概念的には、この方法は希薄気体のボルツマン方程式に基づいており、分子のダイナミクスは離散的な二成分衝突によって中断される自由運動で構成されていますが、液体にも適用されています。個々の分子の軌跡との類似性にもかかわらず、これは粗粒度の記述であり、通常、真の分子動力学よりも大きな長さと時間のスケールで機能します（したがって、「架空の」粒子という概念があります）。

連続体と粒子レベルの力学の要素を組み合わせた他の手法としては、平滑化粒子流体力学^{[74] 、 [75]、} 散逸粒子力学^[76]、多粒子衝突力学^[77]などがある。

微視的シミュレーション手法は、構成分子の運動方程式（古典的または量子的）を直接処理します。

古典的分子動力学（MD）は、ニュートンの運動の法則を用いて液体をシミュレートする。ニュートンの第二法則（）から、分子の軌跡を明示的に追跡し、密度や粘度などの巨視的な液体特性を計算するために使用できる。しかし、古典的MDでは、分子間力（ニュートンの第二法則の「F」）の式が必要である。通常、これらは実験データまたはその他の入力を使用して近似する必要がある。^[47]${\displaystyle F=m{\ddot {x}}}$

第一原理量子力学法は、量子力学の法則と基本的な原子定数のみを使用して液体をシミュレートします。^[57]古典的な分子動力学とは対照的に、分子間力場は計算の出力であり、実験測定やその他の考慮事項に基づく入力ではありません。原理的には、第一原理法は事前の実験データがなくても特定の液体の特性をシミュレートできます。ただし、特に内部構造を持つ大きな分子の場合は、計算コストが非常に高くなります。