Materia w ka\u017cdej ze swoich postaci \u2013 niezale\u017cnie od tego czy mamy do czynienia z bry\u0142\u0105 stalow\u0105, kropl\u0105 wody czy powietrzem wype\u0142niaj\u0105cym przestrze\u0144 wentylowanego pomieszczenia \u2013 zbudowana jest z niewyobra\u017calnie ma\u0142ych cz\u0105stek elementarnych: atom\u00f3w i moleku\u0142. Cz\u0105stki te nie trwaj\u0105 w bezruchu, lecz uczestnicz\u0105 w permanentnym, chaotycznym ruchu termicznym, kt\u00f3ry mo\u017cna roz\u0142o\u017cy\u0107 na trzy sk\u0142adowe: ruch post\u0119powy (translacyjny), ruch obrotowy wok\u00f3\u0142 w\u0142asnych osi oraz drgania wok\u00f3\u0142 po\u0142o\u017ce\u0144 r\u00f3wnowagi. Kluczowym spostrze\u017ceniem, wyprowadzonym z kinetycznej teorii gaz\u00f3w i potwierdzonym do\u015bwiadczalnie, jest fakt \u017ce \u015brednia energia kinetyczna tego ruchu pozostaje w prostej proporcji do temperatury bezwzgl\u0119dnej uk\u0142adu, mierzonej w kelwinach. Innymi s\u0142owy \u2013 temperatura przestaje by\u0107 abstrakcyjn\u0105 wielko\u015bci\u0105 fizyczn\u0105, a staje si\u0119 bezpo\u015brednim odzwierciedleniem intensywno\u015bci mikroskopowego ruchu cz\u0105steczek. Im wy\u017csza temperatura, tym bardziej gwa\u0142towny ruch molekularny, tym wy\u017csza energia wewn\u0119trzna substancji.<\/p>\n\n\n\n
Opr\u00f3cz ruchu, cz\u0105steczki wzajemnie na siebie oddzia\u0142uj\u0105 poprzez si\u0142y kr\u00f3tkiego zasi\u0119gu, zwane si\u0142ami molekularnymi lub mi\u0119dzycz\u0105steczkowymi. Gdy rozpatrujemy oddzia\u0142ywania zachodz\u0105ce pomi\u0119dzy cz\u0105steczkami tej samej substancji, m\u00f3wimy o si\u0142ach kohezji<\/strong> (sp\u00f3jno\u015bci). To w\u0142a\u015bnie kohezja odpowiada za napi\u0119cie powierzchniowe wody \u2013 zjawisko tak dobrze znane w instalacjach wodoci\u0105gowych i grzewczych \u2013 utrzymuje ci\u0105g\u0142o\u015b\u0107 s\u0142upa cieczy w przewodach i decyduje o integralno\u015bci mechanicznej substancji. Warto\u015b\u0107 si\u0142 kohezji jest najwi\u0119ksza w cia\u0142ach sta\u0142ych, gdzie cz\u0105steczki s\u0105 \u015bci\u015ble upakowane, wyra\u017anie mniejsza w cieczach, a w gazach praktycznie pomijalna ze wzgl\u0119du na ogromne odleg\u0142o\u015bci mi\u0119dzy moleku\u0142ami. Zupe\u0142nie innym rodzajem oddzia\u0142ywania s\u0105 si\u0142y adhezji<\/strong> (przylegania), kt\u00f3re pojawiaj\u0105 si\u0119 na styku dw\u00f3ch r\u00f3\u017cnych substancji i maj\u0105 charakter czysto powierzchniowy. Wynikaj\u0105 one z oddzia\u0142ywa\u0144 van der Waalsa zachodz\u0105cych w warstwie kontaktowej na granicy dw\u00f3ch faz i odgrywaj\u0105 istotn\u0105 rol\u0119 cho\u0107by przy zwil\u017caniu powierzchni rur czy osadzaniu si\u0119 osad\u00f3w na \u015bciankach przewod\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n Stan skupienia konkretnej substancji wynika z konkurencji dw\u00f3ch przeciwstawnych tendencji: d\u0105\u017cenia cz\u0105steczek do rozproszenia (nap\u0119dzanego energi\u0105 kinetyczn\u0105 ruchu termicznego) oraz ich wzajemnego przyci\u0105gania (wynikaj\u0105cego z si\u0142 kohezji). W cia\u0142ach sta\u0142ych si\u0142y kohezji zdecydowanie dominuj\u0105 nad energi\u0105 kinetyczn\u0105 \u2013 cz\u0105steczki utrzymywane s\u0105 w \u015bci\u015ble okre\u015blonych pozycjach sieci krystalicznej lub amorfycznej struktury, drgaj\u0105c jedynie wok\u00f3\u0142 po\u0142o\u017ce\u0144 r\u00f3wnowagi. Skutkiem tego cia\u0142a sta\u0142e zachowuj\u0105 niezmienne kszta\u0142t i obj\u0119to\u015b\u0107, kt\u00f3re mo\u017cna zmieni\u0107 jedynie przez przy\u0142o\u017cenie znacz\u0105cej si\u0142y zewn\u0119trznej.<\/p>\n\n\n\n Gdy dostarczymy cia\u0142u sta\u0142emu odpowiedni\u0105 ilo\u015b\u0107 energii cieplnej, energia kinetyczna cz\u0105steczek wzro\u015bnie na tyle, by pokona\u0107 cz\u0119\u015b\u0107 wi\u0105za\u0144 utrzymuj\u0105cych struktur\u0119 \u2013 substancja przechodzi w stan ciek\u0142y. W cieczach odleg\u0142o\u015bci mi\u0119dzy cz\u0105steczkami s\u0105 nadal zbli\u017cone do tych w ciele sta\u0142ym, jednak moleku\u0142y nie s\u0105 ju\u017c przywi\u0105zane do sta\u0142ych pozycji \u2013 mog\u0105 si\u0119 swobodnie przemieszcza\u0107, \u201eprzeskakuj\u0105c” z jednego chwilowego miejsca pobytu do drugiego. To w\u0142a\u015bnie ta cecha decyduje o tym, \u017ce ciecz przyjmuje kszta\u0142t naczynia, w kt\u00f3rym si\u0119 znajduje, zachowuj\u0105c jednocze\u015bnie sta\u0142\u0105 obj\u0119to\u015b\u0107 i tworz\u0105c charakterystyczn\u0105 p\u0142ask\u0105 granic\u0119 z otaczaj\u0105c\u0105 atmosfer\u0105 \u2013 swobodn\u0105 powierzchni\u0119<\/strong>, zwan\u0105 tradycyjnie zwierciad\u0142em cieczy. Warto podkre\u015bli\u0107, \u017ce ciecze wykazuj\u0105 wyj\u0105tkowo ma\u0142\u0105 podatno\u015b\u0107 na \u015bciskanie: aby zmieni\u0107 obj\u0119to\u015b\u0107 wody o zaledwie 5%, nale\u017ca\u0142oby przy\u0142o\u017cy\u0107 ci\u015bnienie przekraczaj\u0105ce 1000 bar\u00f3w. Z tego powodu w zdecydowanej wi\u0119kszo\u015bci oblicze\u0144 in\u017cynierskich ciecze traktuje si\u0119 jako o\u015brodki nie\u015bci\u015bliwe, co znacznie upraszcza aparat matematyczny stosowany w hydraulice i mechanice p\u0142yn\u00f3w.<\/p>\n\n\n\n Dalsze dostarczanie energii prowadzi do ca\u0142kowitego rozbicia struktury ciek\u0142ej \u2013 cz\u0105steczki uwalniaj\u0105 si\u0119 od si\u0142 kohezji i rozpraszaj\u0105 swobodnie w ca\u0142ej dost\u0119pnej przestrzeni, przyjmuj\u0105c stan gazowy. Charakterystyczn\u0105 cech\u0105 gaz\u00f3w jest kilkaset- do kilkutysi\u0105ckrotnie wi\u0119ksza odleg\u0142o\u015b\u0107 mi\u0119dzy cz\u0105steczkami w por\u00f3wnaniu z cieczami, co skutkuje praktycznym zanikiem wzajemnych oddzia\u0142ywa\u0144 molekularnych. Gaz nie ma w\u0142asnego kszta\u0142tu ani obj\u0119to\u015bci \u2013 zawsze wype\u0142nia ca\u0142\u0105 przestrze\u0144 dost\u0119pnego naczynia, nie tworz\u0105c \u017cadnej swobodnej powierzchni i wykazuj\u0105c znaczn\u0105 podatno\u015b\u0107 na spr\u0119\u017canie. Ta w\u0142a\u015bnie \u015bci\u015bliwo\u015b\u0107 stanowi fundamentaln\u0105 r\u00f3\u017cnic\u0119 mi\u0119dzy gazami a cieczami w uj\u0119ciu in\u017cynierskim, decyduj\u0105c o konieczno\u015bci stosowania odmiennych modeli obliczeniowych w instalacjach spr\u0119\u017conego powietrza, ch\u0142odniczych czy wentylacyjnych wysokoci\u015bnieniowych.<\/p>\n\n\n\n Stan skupienia danej substancji jest wi\u0119c wypadkow\u0105 bilansu energetycznego na poziomie molekularnym: im wi\u0119ksza przewaga energii kinetycznej cz\u0105steczek nad energi\u0105 potencjaln\u0105 si\u0142 kohezji, tym bardziej \u201eswobodny” charakter substancji \u2013 od cia\u0142a sta\u0142ego, przez ciecz, a\u017c po gaz.<\/p>\n\n\n\n Opisuj\u0105c p\u0142yny z punktu widzenia mikroskopowego, wyr\u00f3\u017cniamy dwa kluczowe parametry charakteryzuj\u0105ce ruch molekularny. Pierwszym jest \u015brednia droga swobodna cz\u0105steczek<\/strong> l\u2080<\/em>, rozumiana jako przeci\u0119tna odleg\u0142o\u015b\u0107 pokonywana przez moleku\u0142\u0119 pomi\u0119dzy dwoma kolejnymi zderzeniami z innymi cz\u0105steczkami. Dla gaz\u00f3w w warunkach atmosferycznych warto\u015b\u0107 ta wynosi rz\u0119du dziesi\u0105tek nanometr\u00f3w, podczas gdy w cieczach jest o kilka rz\u0119d\u00f3w wielko\u015bci mniejsza. Drugim parametrem jest \u015brednia pr\u0119dko\u015b\u0107 ruchu molekularnego<\/strong>, kt\u00f3ra \u2013 zgodnie z kinetyczn\u0105 teori\u0105 gaz\u00f3w \u2013 ro\u015bnie wraz z temperatur\u0105 i maleje wraz ze wzrostem masy cz\u0105steczkowej moleku\u0142.<\/p>\n\n\n\n W praktyce in\u017cynierskiej operujemy jednak nie parametrami mikroskopowymi, lecz wielko\u015bciami makroskopowymi<\/strong>: ci\u015bnieniem, g\u0119sto\u015bci\u0105 i temperatur\u0105. Ich stosowanie staje si\u0119 mo\u017cliwe dzi\u0119ki przyj\u0119ciu modelu o\u015brodka ci\u0105g\u0142ego<\/strong>, kt\u00f3ry jest fundamentem klasycznej mechaniki p\u0142yn\u00f3w. W modelu tym rezygnujemy ze \u015bledzenia ruchu poszczeg\u00f3lnych moleku\u0142 \u2013 zamiast tego zak\u0142adamy, \u017ce p\u0142yn wype\u0142nia przestrze\u0144 w spos\u00f3b nieprzerwany, a jego w\u0142a\u015bciwo\u015bci zmieniaj\u0105 si\u0119 p\u0142ynnie z punktu do punktu. Zasadno\u015b\u0107 tego uproszczenia najlepiej ilustruje skala zagadnienia: w 1 mm\u00b3 wody mie\u015bci si\u0119 oko\u0142o 3\u00b710\u00b9\u2079 moleku\u0142. Przy tak ogromnej liczbie cz\u0105steczek u\u015brednione w\u0142a\u015bciwo\u015bci statystyczne o\u015brodka s\u0105 doskonale stabilne nawet w obj\u0119to\u015bciach wielu rz\u0119d\u00f3w wielko\u015bci mniejszych ni\u017c typowe wymiary element\u00f3w instalacji.<\/p>\n\n\n\n Formalnym kryterium stosowalno\u015bci modelu o\u015brodka ci\u0105g\u0142ego jest liczba Knudsena<\/strong> Kn<\/em>, zdefiniowana jako iloraz \u015bredniej drogi swobodnej cz\u0105steczek l\u2080<\/em> i charakterystycznego wymiaru liniowego rozpatrywanego przep\u0142ywu L<\/em>: