ของไหล ( Fluid)

ของเหลวเป็นสถานะหนึ่งของสสาร มีปริมาตรคงตัว และมีรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ ส่วนแก๊สซึ่งเป็นอีกสถานะหนึ่งของสสาร มีรูปร่างและปริมาตรไม่คงตัว ขึ้นกับภาชนะที่บรรจุ ทั้งของเหลวและแก๊สสามารถไหลจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่งได้ จึงเรียกของเหลวและแก๊สว่า ของไหล (fluid)

ความหนาแน่น

ของไหล

เป็นที่ทราบกันดีแล้วว่า มีการแบ่งประเภทของสสาร โดยพิจารณาจากสถานะของสสารได้ 3 ชนิด คือ ของแข็ง ของเหลวและแก๊สในการศึกษาสภาพของสสารพบว่า ที่อุณหภูมิคงตัว

ของแข็งจะมีรูปร่างและปริมาตรคงตัว เมื่อถูกแรงกระทำไม่มากนัก

ของเหลวจะมีปริมาตรคงตัวและมีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่บรรจุและจะมีปริมาตรลดลงเล็กน้อยเมื่อถูกแรงอัด

แก๊สมีรูปร่างและปริมาตรไม่คงตัว โดยปริมาตรมีขนาดเปลี่ยนแปลงตามภาชนะที่บรรจุ และเมื่อมีแรงอัดกระทำต่อแก๊ส ปริมาตรของแก๊สจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก นอกจากนี้ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ปริมาตรของแก๊สจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

เนื่องจากปริมาตรของของเหลวและแก๊สไม่แน่นอนขึ้นอยู่กับรูปร่างของภาชนะที่บรรจุและสามารถไหลจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ จึงมีการเรียกของเหลวและแก๊สว่าของไหล (fluid) ในบทเรียนนี้จะเป็นการศึกษาสมบัติต่างๆ ของของไหล ได้แก่ ความหนาแน่น ความดัน แรงดัน ความตึงผิว ความหนืด เป็นต้น

ของเหลวแม้ว่าจะมีรูปร่างไม่แน่นอนตามภาชนะที่บรรจุ แต่จะมีปริมาตรคงที่ค่าหนึ่ง (ที่อาจขึ้นกับอุณหภูมิ) จึงจัดของเหลวเป็นของไหลที่อัดไม่ได้ (Incompressible fluid)

แก๊สหรืออากาศมีปริมาตรที่ไม่แน่นอน เมื่อเปลี่ยนไปสู่ภาชนะที่ใหญ่กว่า ก็สามารถกระจายไปเต็มภาชนะใหม่นั้นได้ จึงจัดแก๊สหรืออากาศเป็นของไหลที่อัดได้(Compressible fluid)

ความหนาแน่น

จากความรู้ในระดับมัธยมศึกษาตอนต้นที่ว่า ความหนาแน่นของสารเป็นสมบัติเฉพาะของสารแต่ละชนิดและเป็นปริมาณที่บอกค่ามวลของสารในหนึ่งหน่วยปริมาตร ถ้าให้ m เป็นมวลของสารที่มีปริมาตร V และ r เป็นความหนาแน่นของสารแล้วสามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ ได้ว่า

ความหนาแน่นเป็นปริมาณสเกลาร์ มีหน่วยเป็นกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (kg/m³)

ตาราง 9.1 ความหนาแน่นของสารบางชนิดที่อุณหภูมิ 0 ℃ และความดัน 1 บรรยากาศ

สาร	ความหนาแน่น (kgm^–³)	สาร	ความหนาแน่น (kgm^–³)
ของแข็ง		ของเหลว
ออสเมียม	22.5 x 10³	ปรอท	13.6 x 10³
ทอง	19.3 x 10³	น้ำทะเล	1.024 x 10³
ยูเรเนียม	18.7 x 10³	น้ำ (4 °C)	1.00 x 10³
ตะกั่ว	11.3 x 10³	เอทิลแอลกอฮอร์	0.79 x 10³
เงิน	10.5 x 10³	น้ำมันเบนซิน	0.68 x 10³
ทองแดง	8.9 x 10³	แก๊ส
ทองเหลือง	8.6 x 10³	ออกซิเจน	1.429
เหล็ก	7.86 x 10³	อากาศ	1.292
อลูมิเนียม	2.70 x 10³	ไนโตรเจน	1.251
แมกนีเซียม	1.74 x 10³	ฮีเลียม	0.179
แก้ว	(2.4 – 2.8) x 10³	ไฮโดรเจน	0.090
น้ำแข็ง	0.917 x 10³
โฟม	0.1 x 10³

จากการศึกษาสมบัติของของเหลวพบว่า เมื่ออุณหภูมิคงตัวหรือเปลี่ยนแปลงไม่มาก ถือได้ว่าปริมาตรคงตัว ดังนั้นความหนาแน่นของของเหลวจึงมีค่าคงตัว

ค่าความถ่วงจำเพาะของสาร (Specific gravity)

ค่าความถ่วงจำเพาะของสารหรือเรียกว่า ถ.พ. เป็นปริมาณที่บอกค่าเปรียบเทียบค่าความหนาแน่นของสารใด ๆ กับค่าความหนาแน่นของน้ำหรืออาจเรียกได้อีกอย่างว่า ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ ซึ่งเขียนเป็นความสัมพัทธ์ได้ว่า

การหาค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสาร เช่น ความความหนาแน่นสัมพัทธ์ของทอง โดยพิจารณาจากตาราง 9.1 ทองมีความหนาแน่น 19.3 x 10³ kg/m³ ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ของทองหรือ ถ.พ. มีค่าเท่ากับ

ค่าความหนาแน่นสัมพัทธ์ 19.3 แสดงว่า ทองมีความหนาแน่นเป็น 19.3 เท่าของความหนาแน่นของน้ำ

ความดันในของเหลว

ความดัน คือ ขนาดของแรงดันที่กระทำตั้งฉากต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ เป็นปริมาณสเกล่าร์ มีหน่วยเป็น N/m² หรือ Pa

P=F/A

ความดันในของเหลว

P=pgh

P = P_เกจ ซึ่งเป็นความดันเนื่องจากน้ำหนักของเหลว และเป็นค่าที่อ่านได้จากเครื่องวัด มีหน่วยเป็น N/m² หรือ Pa

Ρ = ความหนาแน่นของของเหลว มีหน่วยเป็น kg/m³

h = ความลึกของของเหลว มีหน่วยเป็น m

* ณ จุดใดๆในของเหลว จะมีแรงเนื่องจากของเหลวไปในทุกทิศทาง

* แรงที่ของเหลวกระทำที่ผิวภาชนะจะตั้งฉากกับผิวภาชนะเสมอ

* ความดันในของเหลวชนิดหนึ่งๆไม่ขึ้นกับปริมาตรและรูปร่างของภาชนะ