Physik der Flüssigkeiten

Teilchenmodell einer Flüssigkeit

Eine Flüssigkeit ist Materie im flüssigen Aggregatzustand, nach einer makroskopischen Definition ein Stoff, der einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen recht großen Widerstand entgegensetzt (der Stoff ist nahezu inkompressibel), nach einer mikroskopischen Definition ein Stoff, dessen Teilchen sich ständig nichtperiodisch bewegen sowie keinerlei Fernordnung, jedoch sehr wohl einer Nahordnung unterliegen und deren mittlere freie Weglänge in der Größenordnung des Teilchendurchmessers liegt. Flüssigkeiten sind also volumenbeständig, formunbeständig, unterliegen einer ständigen Brownschen Bewegung. Der flüssige Zustand ist nicht allein stoffspezifisch, sondern hängt auch von äußeren Faktoren wie der Temperatur und dem Druck ab. Wechselt eine solche Flüssigkeit ihren Aggregatzustand, so spricht man von einer Phasenumwandlung, wobei der Begriff der Phase selbst einen Überbegriff zum Aggregatzustand darstellt.

Mit den Gasen werden die Flüssigkeiten zu den Fluiden zusammengefasst.

Makroskopische Beschreibung und Eigenschaften

Die temperaturabhängige Volumenausdehnung einer Flüssigkeit wird durch deren Volumenausdehnungskoeffizienten quantifiziert. Der Kompressionsmodul ist ein Maß für die adiabatische Volumenelastizität, das heißt für die „Zusammendrückbarkeit“ einer Flüssigkeit. In der Schwerelosigkeit beziehungsweise bei einer Abwesenheit äußerer Kräfte nehmen Flüssigkeiten aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine kugelförmige Gestalt an, da diese Form die Oberfläche minimiert. Flüssigkeiten üben auf die Wand des Gefäßes, in dem sie sich befinden, einen hydrostatischen Druck aus, zum Beispiel den Wasserdruck. Ruhende Flüssigkeiten sind physikalisch hauptsächlich durch diesen Druck gekennzeichnet. Übt man von außen Druck auf Flüssigkeiten aus, so verteilt sich der Druck gleichmäßig in der ganzen Flüssigkeit. Je tiefer man einen Körper in eine Flüssigkeit taucht, desto größer wird der hydrostatische Druck auf den Körper. Dieser hängt allerdings nicht nur von der Tauchtiefe sondern auch von der Dichte der Flüssigkeit ab. In strömenden Flüssigkeiten treten zusätzliche Größen auf, die durch die Fluiddynamik, ein Teilgebiet der Kontinuumsmechanik beschrieben werden.

Mikroskopische Beschreibung und Eigenschaften

Aufgrund der im Vergleich zum Festkörper fehlenden Translationsperiodizität und der ständigen Teilchenbewegung müssen Flüssigkeiten mit den Mitteln der statistischen Mechanik (z.B. klassische Dichtefunktionaltheorie) beschrieben werden. Wichtig sind hier die atomaren Verteilungsfunktionen. Viele Eigenschaften der Volumenphase von Flüssigkeiten lassen sich mittels Molekulardynamik- oder Monte-Carlo-Simulation berechnen.

Literatur

• J. P. Hansen, I. R. Mcdonald: Theory of simple Liquids. Elsevier Academic Press, 2006, ISBN 978-0-12-370535-8
• M. P. Allen, D.J. Tildesly: Computer Simulation of Liquids. Oxford University Press, 1989, ISBN 0-19-855645-4

Siehe auch

• ideale Flüssigkeit
• Viskosität

Aggregatzustände

Klassische Aggregatzustände:
Gas | Flüssigkeit | Festkörper

Nichtklassische Aggregatzustände:
Plasma | Bose-Einstein-Kondensat | Suprafluidität | Suprasolidität | mesomorpher Zustand | überkritischer Zustand | Atomgas