Chất lưu hay lưu chất là một thuật ngữ kỹ thuật, được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, tùy thuộc vào hoàn cảnh mà thuật ngữ chất lưu, có thể được sử dụng để biểu thị một dạng vật chất khác nhau (thường là chất lỏng hoặc chất khí).

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu những khái niệm cơ bản nhất, về chất lưu.

Chất lưu là gì?

Chất lưu tiếng anh là (fluid), bao gồm nhiều loại vật chất khác nhau mà có khả năng chảy, thay đổi hình dạng dưới tác động của các loại lực. Chất lưu bao gồm cả chất lỏng, chất khí.

Một số ví dụ về chất lưu bao gồm:

Chất lỏng: Nước chảy trong đường ống, nước chảy trên sông, hóa chất ở chất ở trạng thái lỏng trong các hệ thống công nghiệp, xăng dầu trong đường ống,…
Chất khí: Sự luân chuyển của không khí trên trái đất, không khí bên trong hệ thống thông gió của tòa nhà, khí nén sử dụng trong công nghiệp, hơi nước nhiệt độ cao,…

Tuy nhiên chất lưu được biết đến phổ biến, ở dạng lỏng hoặc khí. Sự khác biệt chính giữa chất lỏng và khí là khả năng nén. Khí có khả năng nén dễ dàng hơn so với chất lỏng. Cả hai loại chất này đều chịu ảnh hưởng của các lực như trọng lực, áp suất, lực đẩy, lực hút,…

3 thông số cơ bản của chất lưu

Khối lượng riêng

Khối lượng riêng của một chất lưu, được xác định bằng cách lấy khối lượng của chất đó chia cho thể tích.

Khối lượng riêng thường được ký hiệu bằng ký hiệu “ρ”, đơn vị thường là kilogam trên mét khối (kg/m³) trong hệ đo lường SI. Khối lượng riêng có thể được tính bằng công thức sau:

Khối lượng riêng (ρ) = Khối lượng (m) / Thể tích (V)

Ví dụ:

Khối lượng riêng của nước là khoảng 1000 kg/m³.
Khối lượng riêng của khí hidro (H2) ở điều kiện tiêu chuẩn là khoảng 0.089 kg/m³.

Khối lượng riêng của một chất lưu có thể thay đổi dựa trên nhiệt độ, áp suất.

Độ nhớt

Độ nhớt là một đặc tính quan trọng của chất lưu, được sử dụng để đánh giá mức độ linh và khả năng chảy. Chất lưu có độ nhớt cao sẽ chảy chậm hơn và khó chuyển động hơn, trong khi chất lưu có độ nhớt thấp sẽ chảy nhanh hơn và dễ chuyển động hơn.

Độ nhớt phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chất lưu, cách các phân tử tương tác với nhau. Các yếu tố như kích thước phân tử, khả năng trượt qua nhau, tương tác hấp dẫn, và nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lưu.

Có hai loại độ nhớt chính:

Độ nhớt tuyệt đối (dynamic viscosity): Đây là độ nhớt đo lường khả năng của chất lưu chống lại sự di chuyển khi áp dụng một lực. Đơn vị của độ nhớt động học trong hệ SI là pascal-second (Pa·s) hoặc N·s/m². Một đơn vị thông dụng khác là poise (P), trong đó 1 poise = 0.1 Pa·s.
Độ nhớt động học (kinematic viscosity): Độ nhớt này được tính bằng cách chia độ nhớt động học cho khối lượng riêng của chất lưu. Đơn vị của độ nhớt động học cùng hướng là mét vuông trên giây (m²/s) hoặc stokes (St), trong đó 1 stoke = 10^-4 m²/s.

Lưu lượng

Lưu lượng của chất lưu là một khái niệm quan trọng, trong cơ học lưu và trong thực tế ứng dụng. Lưu lượng của chất lưu phản ánh lượng chất lưu đi qua một vị trí mặt cắt, trên một đơn vị thời gian.

Có hai loại lưu lượng chính:

Lưu lượng khối lượng (Mass Flow Rate): Đo lường khối lượng của chất lưu chuyển động qua một vị trí cụ thể, trong một khoảng thời gian. Đơn vị thường sử dụng là kilogram trên giây (kg/s) hoặc các đơn vị khác tương tự.

Lưu lượng khối lượng = Khối lượng / Thời gian.

Lưu lượng thể tích (Volume Flow Rate): Đo lường thể tích của chất lưu chuyển động qua một vị trí cụ thể trong một khoảng thời gian. Đơn vị thường sử dụng là mét khối trên giây (m³/s) hoặc các đơn vị khác tương tự.

Lưu lượng thể tích = Thể tích / Thời gian.

Tính chất của chất lưu

Mặc dù chất lưu không phải loại một loại chất cụ thể, tuy nhiên các loại chất lưu thường có những tính chất chung như sau:

Khả năng chảy và thay đổi hình dạng: Chất lưu không có hình dạng cố định, mà hình dạng của chúng phụ thuộc vào vật chứa nó, dễ thấy nhất là sự thay đổi hình dạng của nước, khi mà chúng được chuyển qua các vật chứa có hình dáng khác nhau.
Độ nhớt: Độ nhớt đo lường khả năng chất lưu chống lại, sự chảy hoặc sự thay đổi hình dạng. Chất lưu có độ nhớt càng cao, càng kém linh hoạt về hình dạng và khó chuyển động hơn (khó chảy hơn).
Truyền áp suất : Chất lưu trong hệ thống được cung cấp một áp suất nhất định, nó có thể được cung cấp từ bơm, hoặc do chính trọng lượng của lưu chất đó tạo nên. Áp suất của chất lưu, tác dụng lên toàn bộ thiết bị sử dụng trong hệ thống có tiếp xúc trực tiếp.
Thay đổi trạng thái: Chất lưu sử dụng trong hệ thống có chức năng chuyển đổi giữa các trạng thái khác nhau, dễ thấy nhất là trong hệ thống nồi hơi, nước sau khi được cấp một lượng nhiệt đủ lớn, nó chuyển từ trạng thái lỏng thành trạng thái khí (hơi). Hơi nóng được sử dụng trong hệ thống sau một quá trình làm việc nhất định, nó bị mất nhiệt và quay trở về trạng thái lỏng.

Những tính chất này tạo nên sự đa dạng và phức tạp của chất lưu và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của khoa học và công nghệ.

Những ứng dụng của chất lưu

Có thể bạn không chú ý, nhưng việc nghiên cứu về chất lưu có ý nghĩa vô cùng quan trọng, từ những lĩnh vực phức tạp cho đến những thiết bị phổ xung chúng ta.

Dưới đây là một số ví dụ về những ứng dụng của chất lưu:

Chất lưu trong các nhà máy: Trong các nhà máy sản xuất, thuật ngữ chất lưu được sử dụng rất phổ biến, chất lưu ở đây có thể là nước, các loại chất hóa học, khí nén, hơi nóng,… Chúng thường chảy trong các đường ống, đến các bộ phận khác nhau trong hệ thống, để đảm nhận một số chức năng như phục vụ việc sản xuất, vận hành một số loại thiết bị máy móc, sấy khô,…
Công nghệ hàng không và vũ trụ: Việc nghiên cứu về chất lưu (không khí) là việc làm bắt buộc trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, việc làm này quan trọng đến mức độ, có một chuyên ngành riêng để nghiên cứu, được gọi là khí động học
Y học: Máu trong hệ tuần hoàn trong cơ thể cũng chính là một loại chất lưu, việc nghiên cứu về các chỉ số của máu (huyết áp, tốc độ chảy qua các vị trí, độ nhớt của máu,…) được căn cứ để đánh giá sức khỏe người bệnh.
Lọc hóa dầu: Dầu mỏ và khí đốt được khai thác từ những giếng dầu, cần trải qua nhiều giai đoạn xử lý khác nhau, để thu được xăng dầu sử dụng cho động cơ đốt trong, khí đốt và nhiều sản phẩm khác. Chúng cũng là lưu chất và việc tính toán, nghiên cứu những thông số liên quan đến loại lưu chất này là điều quan trọng.

Đây chỉ là một số ví dụ cơ bản về ứng dụng của chất lưu. Tuy nhiên, chất lưu thực sự ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh của cuộc sống và ngành công nghiệp hiện đại.

Những câu hỏi liên quan đến chất lưu

Chất lưu lý tưởng là gì?

Chất lưu lý tưởng là loại chất lưu giả định, thường được áp dụng để tính toán trong các trường hợp cụ thể, trên thực tế không tồn tại loại chất lưu này. Chất lưu lý tưởng được hiểu là chất lưu không thể nén và không có độ nhớt.

Chất lưu được phân loại như thế nào?

Chất lưu được chia thành hai loại chính bao gồm chất lưu nén được, và chất lưu không nén được.

Chất lưu nén được: Thường là những chất ở trạng thái khí, sự nén ở đây có thể được hiểu là gia tăng mật độ (cùng một khối lượng chất lưu, nhưng chúng lại được chứa vào một không gian nhỏ hơn). Việc nén của chất lưu được thực hiện thông qua, những thiết bị đặc biệt. Ví dụ: không khí có thể được nén lại nhờ vào máy nén khí.
Chất lưu không nén được: Thường là chất lỏng (nước được xem là chất lưu không nén được), chúng không có khả năng gia tăng mật độ, theo dựa trên những phương pháp thông thường.

Làm sao để kiểm soát chất lưu?

Việc kiểm soát chất lưu có thể mang rất nhiều ý nghĩa khác nhau, kiểm soát có thể bao gồm: Kiểm soát áp suất, kiểm soát lưu lượng, kiểm soát nhiệt độ,…. Trong nhiều trường hợp, việc kiểm soát ở đây thường được hiểu là, kiểm soát lưu lượng dòng chảy của loại chất lưu được đề cập, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp, để kiểm soát được dòng chảy của những loại lưu chất đó, người ta thường sử dụng các thiết bị van công nghiệp.