液体

液体の量は体積の単位で測定されます。これには、SI単位である立方メートル（m ³）とその分割単位、特に立方デシメートル（一般的にはリットルと呼ばれる）（1 dm ³ = 1 L = 0.001 m ³）、および立方センチメートル（ミリリットルとも呼ばれる）（1 cm ³ = 1 mL = 0.001 L = 10 ⁻⁶ m ³）が含まれます。^{[ 8 ]}

液体の体積は、その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℃の間の水は、顕著な例外です。^{[ 9 ]}

一方、液体は圧縮性が低い。例えば、水は気圧が1単位上昇するごとにわずか46.4ppmしか圧縮されない。^{[ 10 ]}室温で約4000バール（400メガパスカルまたは58,000psi ）の圧力では、水の体積はわずか11%しか減少しない。 ^{[ 11 ]}非圧縮性により、液体は油圧動力の伝達に適している。液体のある一点での圧力変化は、液体の他のすべての部分に減衰することなく伝達され、圧縮の形で失われるエネルギーは非常に少ないからである。^{[ 12 ]}

しかし、圧縮性がほとんどないことが他の現象を引き起こします。水撃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、バルブで巨大な圧力スパイクが発生し、それが音速のすぐ下の速度でシステム内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もう1つ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、ボートのプロペラの後縁やパイプの鋭角な角など、乱流が激しい領域や方向が急激に変化する領域では、文字通り引き裂かれることがあります。低圧（真空）領域の液体は蒸発して気泡を形成し、高圧領域に入ると崩壊します。これにより、液体は気泡によって残された空洞に局所的に非常に大きな力で満たされ、隣接する固体表面を侵食します。^{[ 13 ]}

重力場において、液体は容器の側面だけでなく、液体内部のあらゆるものにも圧力を及ぼします。液体の圧力はあらゆる方向に伝達され、深さとともに増加します。液体が均一な重力場において静止している場合、圧力は${\displaystyle p}$深部で${\displaystyle z}$^{[ 14 ]}で与えられる

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

どこ：

${\displaystyle p_{0}\,}$表面の圧力は

${\displaystyle \rho \,}$は液体の密度であり、深さ方向に均一であると仮定する。

${\displaystyle g\,}$重力加速度とは

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

液体の体積が容器の体積と完全に一致しない限り、1つ以上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、表面にある分子は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生じるためです。言い換えれば、この力はエネルギーの観点から説明できます。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（SI単位：J / m² ）で表されます。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。^{[ 16 ]}

表面張力の実際的な意味合いとしては、液体は他の制約がない限り、表面積を最小化しようとして球状の液滴や気泡を形成する傾向があることが挙げられます。表面張力は、表面波、毛細管現象、濡れ、さざ波など、その他さまざまな現象の原因にもなります。ナノスケールで閉じ込められた液体では、マクロスケールの液体サンプルと比較して、表面付近に存在する分子の割合がはるかに大きいため、表面効果が支配的な役割を果たすことがあります。

液体の表面張力は、その濡れ性に直接影響します。一般的な液体の表面張力は数十mJ/m²の範囲である^ため、油、水、接着剤の液滴は容易に合体して他の表面に付着しますが、水銀などの液体金属の表面張力は数百mJ/m²の範囲であるため^、液滴は容易に合体せず、表面は特定の条件下でのみ濡れる可能性があります。

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ても比較的狭い範囲の値しか取らないが、これは粘度などの他の機械的特性に見られる大きな変化とは大きく対照的である。^{[ 17 ]}

液体の流れを特徴づける重要な物理的性質は粘度です。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、有限速度でせん断されるときなど、特定の速度での液体の変形に対する抵抗を測定します。^{[ 18 ]}具体的な例として、パイプ内を流れる液体が挙げられます。この場合、液体はパイプの中心付近よりも壁付近の方が流れが遅いため、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、パイプの両端間の圧力差などの外部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。^{[ 19 ]}

粘度の精密な制御は、多くの用途、特に潤滑油業界で重要です。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。^{[ 20 ]} 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。機械はしばしばさまざまな温度範囲で動作するため、この機能は重要です（粘度指数も参照）。^{[ 21 ]}

液体の粘性挙動は、ニュートン流体か非ニュートン流体のいずれかである。ニュートン流体は、歪み/応力曲線が直線的であり、その粘度は時間、せん断速度、またはせん断速度履歴に依存しないことを意味する。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、または水銀などが​​ある。非ニュートン流体は、粘度がこれらの要因に依存し、せん断によって粘度が増す（粘度が増加する）か、または減少する（粘度が減少する）液体である。非ニュートン流体の例としては、ケチャップ、カスタード、またはデンプン溶液などがある。^{[ 22 ]}

液体中の音速は次のように表される。${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$どこ${\displaystyle K}$は液体の体積弾性率であり、${\displaystyle \rho }$密度。例えば、水の体積弾性率は約 2.2 GPa、密度は 1000 kg/m ³であり、c = 1.5 km/s となる。^{[ 23 ]}

液体は結晶格子のような長距離秩序を示さないが、数分子直径にわたって持続する短距離秩序を有する。 ^{[ 28 ] [ 29 ]}

すべての液体において、排除体積相互作用により分子の位置（重心座標）に短距離秩序が生じます。アルゴンやクリプトンなどの古典的な単原子液体が最も単純な例です。このような液体は、密に詰まった球体の無秩序な「山」としてモデル化でき、短距離秩序は、球体の充填において最近接および次近接の隣接分子が直径の整数倍で離れる傾向があるという事実に対応します。^{[ 30 ] [ 31 ]}

ほとんどの液体では、分子は球形ではなく、分子間力は方向性を持ち、つまり分子の相対的な向きに依存します。その結果、上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特に重要です。^{[ 32 ] [ 33 ]}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」が形成されます。液体では（固体と比較して）熱ゆらぎが相対的に重要であるため、これらの構造は非常に動的で、絶えず変形、破壊、再形成されます。^{[ 30 ] [ 32 ]}

通常の液体には長距離秩序がないが、一部の物質は中間的な挙動を示す。例えば、液晶は液体のように流動するが、分子の長距離配向配列を示す。固体とは異なり、長距離並進秩序はないが、その異方性特性により従来の液体とは区別される。その結果、液晶は物質の特異な状態とみなされている。液晶ディスプレイ（LCD）などの技術に利用されている。^{[ 34 ]}

液体の微視的な特徴は、分子間引力とエントロピー力の相互作用から生じる。^{[ 35 ]}

引力は分子同士を引き寄せる傾向があり、短距離の斥力相互作用とともに、固体の規則的な構造を形成する主要な力です。エントロピー力は機械的な意味での「力」ではなく、固定エネルギーにおける系のエントロピーを最大化しようとする傾向を表します（ミクロカノニカルアンサンブルを参照）。大まかに言えば、エントロピー力は分子を互いに遠ざけ、分子が占める体積を最大化します。エントロピー力は気体において支配的であり、気体が容器を満たす傾向を説明します。一方、液体では分子間力とエントロピー力が同程度であるため、どちらか一方を無視することはできません。定量的に見ると、隣接する分子間の結合エネルギーは熱エネルギーと同程度の大きさです。${\displaystyle k_{\text{B}}T}$[ ^{36 ]​}

既知のすべての物質形態と同様に、液体は基本的に量子力学的である。しかし、標準条件（室温および圧力付近）では、液体の巨視的挙動の多くは古典力学の観点から理解できる。^{[ 36 ] [ 38 ]} 「古典的な描像」では、構成分子は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している。その結果、それらの巨視的特性は古典統計力学を使用して記述できる。分子間力法則は技術的には量子力学から導出されるが、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極限から得られる、古典理論へのモデル入力として理解されている。 ^{[ 39 ] [ 28 ]}非常に単純化された例ではあるが、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挙げられる。^{[ 36 ]}

古典極限を適用するには、熱ド・ブロイ波長が、

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

検討対象の長さスケールに比べて小さい。^{[ 36 ] [ 40 ]}ここで、${\displaystyle \hbar }$プランク定数であり、${\displaystyle m}$は分子の質量です。${\displaystyle \Lambda }$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、量子力学的考察が必要になる可能性がある。注目すべき例として、水などの関連液体における水素結合が挙げられる。^{[ 41 ] [ 42 ]}水素結合では、プロトンの質量が小さいため、零点運動やトンネル効果などの本質的に量子的な効果が重要となる。^{[ 43 ]}

液体が巨視的なレベルで古典的な振る舞いをするためには、${\displaystyle \Lambda }$平均距離に比べて小さい必要がある$\displaystyle a\approx \rho ^{-1/3}}$ 分子間。^{[ 36 ]}つまり、

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

表1には、いくつかの液体におけるこの比率の代表値が示されている。結論として、低温かつ分子量の小さい液体では量子効果が重要である。^{[ 36 ] [ 38 ]}動的プロセスには、追加の時間スケール制約がある。

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

どこ$\displaystyle \tau }$は検討対象のプロセスの時間スケールです。室温の液体の場合、右辺は約 10 ⁻¹⁴秒であり、これは一般的に、並進運動を伴う時間依存プロセスは古典的に記述できることを意味します。^{[ 36 ]}

極低温では、特定の液体の巨視的な挙動でさえ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。これらの液体は低温かつ低質量であるため、熱ド・ブロイ波長は分子間の平均距離に匹敵する。^{[ 36 ]}

液体の音速を表す式は、

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

体積弾性率Kを含む。K が周波数に依存しない場合、液体は線形媒質として振る舞い、音は散逸やモード結合なしに伝播する。実際には、すべての液体は何らかの分散を示す。周波数が増加するにつれて、K は低周波数の液体のような限界から逸脱する。$\displaystyle K_{0}}$高周波、固体のような極限まで$\displaystyle K_{\infty }}$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。

サブGHz周波数では、通常の液体はせん断波を維持できません。せん断弾性率のゼロ周波数限界は0です。これは、液体を定義する特性と見なされることがあります。^{[ 44 ] [ 45 ]}しかし、体積弾性率Kと同様に、せん断弾性率Gも周波数に依存し、超音波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状態に戻るかを表します。このため、GHzからTHz領域における分散ステップは緩和とも呼ばれます。液体がガラス転移点に向かって過冷却されるにつれて、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。

液体における長距離秩序の欠如は、X線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る。通常の条件下では、回折パターンは円対称であり、液体の等方性を表している。放射状に、回折強度は滑らかに振動する。これは静的構造因子によって記述できる。${\displaystyle S(q)}$波数${\displaystyle q=(4\pi /\lambda )\sin \theta }$波長によって与えられる${\displaystyle \lambda }$プローブ（光子または中性子）とブラッグ角${\displaystyle \theta }$振動${\displaystyle S(q)}$液体の短距離秩序、すなわち、分子と最近接、次近接などの「殻」との間の相関関係を表す。

これらの相関関係を等価的に表現したものが、動径分布関数である。${\displaystyle g(r)}$これはフーリエ変換に関連しています${\displaystyle S(q)}$^{[ 30 ]}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しています。

液体は、固体材料間に薄く自由に流れる層を形成する能力があるため、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わたって適切な粘度と流動特性を持つように選択されます。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、油圧システムなどでよく使用されます。^{[ 50 ]}

多くの液体は、他の液体や固体を溶解する溶剤として使用されます。溶液は、塗料、シーラント、接着剤など、幅広い用途で使用されています。ナフサとアセトンは、工業分野で部品や機械から油、グリース、タールを洗浄するために頻繁に使用されています。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。^{[ 51 ]}

液体は気体よりも熱伝導率が高く、流動性があるため、機械部品から余分な熱を除去するのに適しています。熱は、ラジエーターなどの熱交換器を通して液体を流すことによって除去することも、液体が蒸発する際に熱を除去することもできます。^{[ 52 ]}エンジンが過熱しないように、水またはグリコール冷却剤が使用されます。^{[ 53 ]}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。^{[ 54 ]}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。^{[ 55 ]}機械加工では、水と油を使用して、ワークピースと工具の両方をすぐに損傷する可能性のある発生した余分な熱を除去します。発汗中、汗は蒸発によって人体から熱を除去します。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伝達します。^{[ 56 ]}

液体は優れた熱伝達能力を持つため、調理によく用いられます。液体は熱伝導に加えて、対流によってもエネルギーを伝達します。特に、温度の高い流体は膨張して上昇し、温度の低い流体は収縮して沈むため、動粘度の低い液体は対流によって比較的一定の温度で熱を伝達する傾向があり、そのため、湯通し、煮沸、揚げ物などに適しています。さらに高い熱伝達率は、気体を液体に凝縮させることによって達成できます。液体の沸点では、すべての熱エネルギーが温度上昇を伴わずに液体から気体への相変化を引き起こすために使用され、化学ポテンシャルエネルギーとして蓄えられます。気体が再び液体に凝縮すると、この余剰の熱エネルギーが一定の温度で放出されます。この現象は、蒸し調理などのプロセスで利用されています。

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、熱、冷気、真空、圧力、その他の手段を用いて蒸留によって分離することができます。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（それぞれの沸点以下に冷却する）による極低温蒸留まで、あらゆる場面で見られます。^{[ 57 ]}

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動力を供給します。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。オイルは油圧ポンプを通して押し出され、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、航空機の制御システムなど、多くの用途で見られます。さまざまな油圧プレスは、修理や製造において、持ち上げ、プレス、クランプ、成形のために広く使用されています。^{[ 58 ]}

液体金属は、特に電気伝導性と力を伝達する能力（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いくつかの特性を持っています。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、繰り返し変形下でも動作でき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デバイスへの使用が提案されています。 ^{[ 59 ] [ 60 ]}金属ガリウムは、室温付近で液体であり、毒性が低く、蒸発が遅いため、これらの用途に有望な候補と考えられています。^{[ 61 ]}

液体は測定装置に用いられることがある。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示すことが多い。マノメーターは、液体の重さを利用して気圧を示す。^{[ 62 ]}

回転する液体の自由表面は円形放物面を形成するため、望遠鏡として使用できます。これらは液体鏡望遠鏡として知られています。^{[ 63 ]}これらは従来の望遠鏡よりも大幅に安価ですが、^{[ 64 ]}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。

メソスコピック法は、粒子レベルと連続体レベルの中間の長さスケールと時間スケールで作用します。そのため、粒子ベースのダイナミクスと連続体流体力学の要素を組み合わせています。^{[ 65 ]}

一例として、格子ボルツマン法がある。これは、流体を格子上に存在する仮想粒子の集合としてモデル化するものである。^{[ 65 ]}粒子は、流れ（直線運動）と衝突によって時間とともに変化する。概念的には、希薄気体のボルツマン方程式に基づいている。希薄気体では、分子のダイナミクスは、離散的な二体衝突によって中断される自由運動から構成されるが、液体にも適用される。個々の分子の軌跡との類似性にもかかわらず、これは粗視化された記述であり、通常は真の分子ダイナミクスよりも大きな長さスケールと時間スケールで動作する（そのため、「仮想」粒子の概念が存在する）。

連続体と粒子レベルのダイナミクスの要素を組み合わせた他の方法には、平滑化粒子流体力学^{[ 75 ] [ 76 ]} 、散逸粒子ダイナミクス^{[ 77 ]}、多粒子衝突ダイナミクス^{[ 78 ]}などがあります。

微視的シミュレーション手法は、構成分子の運動方程式（古典力学または量子力学）を直接扱う。