ویسکوزیته سنتیکی و مطلق هوا در دماهای مختلف

تعریف شاره یا سَیّال

شاره(سیال عامل) ماده‌ای است که می‌تواند جاری شود، بنابراین کلمه شاره، به مایعات و گازها اطلاق می‌شود.

در علم مکانیک سیالات آنچه را به عنوان تعریفی از سیال ارائه میدهندآن است که سیال در مقابل تنش برشی تغییر شکل ممتد میدهد. برای درک بهتر این موضوع بایستی متذکر شد که یک جسم جامد همانگونه که در دروس جامداتی بدان پرداخته می شود در مقابل تنش برشی که وارد می شود به صورت تغییر شکل ثابت و معین از خود مقاومت نشان میدهد که این تغییر شکل به تغییراتی در جسم می انجامد. تفاوت سیال با جامد نیز در همین موضوع نهفته است. یک سیال آنگاه که تحت تنش برشی واقع می شود به صورت پیوسته به حرکت و تغییر شکل وا داشته می شود. از این تغییر شکل بدست می آوریم که یک سیال ساکن نباید هیچ گونه تنش برشی داشته باشد.جامدات و سیالات تحت نیرو و تنش فشاری یا کششی رفتار یکسانی دارند.
با واکاوی تعریف سیال و بررسی دقیق تر به یک تقسیم بندی کلی برای سیالات می رسیم. سیالات را کلا به دو دسته مایعات و گازها از نقطه نظر واکنش ها در برابر تغییرات نیروهای اعمالی تقسیم بندی می نمایند. تفاوت واکنشی این دو نیز نهفته در پدیده ای به نام نیروی چسبندگی “cohesiva force” است. نیروی چسبندگی در مایعات بسیار فراتر از گازها می باشد و همچنین مایعات یک سطح تماس با محیط دارند، حال آنکه گازها صرفا یک سطح تماس با محیط ندارند. همین تفاوت ها منشأ بسیاری از تفاوت های دیگر می شوند.
با در نظر گرفتن مطالب مطروحه، در این قسمت سعی بر آن داریم تا روابطی را جهت درک بهتر مسائل سیالاتی ارائه دهیم.
شرط عدم لغزش( no-slip condition): سرعت سیال روی دیوار جامد برابر با سرعت جامد است.
شکل 1.1
${\begin{aligned}&\gamma ={\frac {\delta }{h}}\\&~~~~~\Rightarrow ~~~~~~~\gamma ={\frac {v\times \Delta t}{h}}\\&\delta =v\times \Delta t\\\end{aligned}}$ و همچنین داریم ${\begin{aligned}&{\dot {\gamma }}={\frac {\gamma }{\Delta t}}={\frac {v}{h}}\\&~~~~~~~\Rightarrow \tau =\mu \times {\dot {\gamma }}~~~~~~~~\\&\tau ={\frac {F}{A}}\\\end{aligned}}$

قابل توجه است که در این فرمول ها:
لزجت(μ) برای آب: 3-^10
لزجت(μ) برای هوا: 6-^10*2
همچنین ذکر این نکته ضروری است که:
در مایعات زمانی که دما افزایش می یابد، آنگاه لزجت کاهش می یابد.
ولی در گازها زمانی که دما افزایش یابد، آنگاه لزجت افزایش می یابد.و البته با اینکه لزجت تابع دما است ولی با تغییر فشار به صورت قابل توجه تغییر نمی کند.

نگاه اجمالی

رده‌بندی مواد بر اساس شاره‌ها همیشه مرز مشخصی ندارد. بعضی از این شاره‌ها ، مانند شیشه یا قیر آنقدر به آرامی ‌جاری می‌شوند که در مدت زمانی که معمولا با آنها کار می‌کنیم، شبیه جامدات رفتار می‌کنند. پلاسما که گازی به شدت یونیزه است، به آسانی در هیچ یک از این رده‌ها قرار نمی‌گیرد.

پلاسما را «حالت چهارم ماده» می‌نامند، تا از حالتهای جامد ، مایع و گاز تمیز داده شود. حتی تفاوت بین مایع و گاز نیز مشخص نیست، زیرا با تغییر فشار و دما بطور مناسب ، می‌توان مایع (مثلا آب) را بدون ظاهر شدن سطح هلالی و بدون جوشیدن ، به گاز (مثلا بخار آب) تبدیل کرد. در حین این فرآیند چگالی و چسبندگی بطور پیوسته‌ای تغییر می‌کنند.

سیال، یکی از حالت‌های وجود ماده است و شامل مایعات و گازهامی‌شود. سیال به ماده ای اطلاق می گردد که تحت نیروی برشی -(هرچند هم که کوچک باشد)- به طور پیوسته و بی وقفه تغییر شکل می دهد بدین معنا که تا زمانی که نیروی برشی به سیال وارد می گردد، سیال دائما تغییر شکل میدهد.در نتیجه میتوان گفت که یک سیال ساکن در حالتی که تنش برشی صفر است قرار دارد و این حالت را در تحلیل های ساختاری غالبا تنش هیدروستاتیکیگویند.

تمام شاره‌ها ویژگی روان شدن (گرانروی) را دارند و بر خلاف جامدات در برابر تغییر شکل مقاومت نمی‌کنند (به اصطلاح رایج «شکل ظرفی را که در آن قرار دارند به خود می‌گیرند».) یکی دیگر از ویژگی های سیالات چسبندگی و یا لزجت می باشد.لزجت یک مقیاس عددی از مقاومت سیال در برابر جریان است وعامل پیوستگی ذرات سیال می باشد. هر چقدر سیالی لزج تر باشد، ویژگی های سیال گونه آن کمتر است (به طور مثال سخت تر روان می گردد نظیر عسل). شاره‌ها در یک نگاه کلی به شارهٔ نیوتنی و غیر نیوتنی تقسیم‌بندی می‌شوند. شاره‌های نیوتنی سیالاتی هستند که در آن‌ها تنش برشی متناسب با تغییرات کرنش برشی است. ثابت تناسب در این حالت لزجت شاره می‌باشد. تقریباً هیچ شارهٔ نیوتنی در واقعیت وجود ندارد و این تنها فرضی برای ساده‌سازی می‌باشد که البته در بسیاری از محاسبات، تقریب خوبی به شمار می‌رود. در طرف دیگر شاره‌های غیر نیوتنی قرار می‌گیرند که رابطه بین تنش و نرخ کرنش در آن‌ها خطی نیست و می‌تواند با افزایش تنش، شاره رقیقتر و یا غلیظتر گردد. در دستهٔ دیگری از شاره‌های غیر نیوتنی، پارامتر لزجت به زمان نیز وابسته است. به بیان دیگر برای این شاره‌ها تا حدی حافظه تنشی مانند جامدات وجود دارد.

مکانیک سیالات

علم سیالات به بررسی رفتار و واکنش های سیال تحت اثر نیروهای وارد بر ان می پردازد. مکانیک سیالات عبارت است از مطالعه سیالات در حرکت (دینامیک سیالات ) یا ساکن (ایستایی سیالات ).

دینامیک سیالات قوانین جریان سیالات را بررسی میکند و استاتیک سیالات قوانین سیالات ساکن را بررسی میکند. اگرچه این مطالعات نیز مانند مکانیک اجسام صلب بر اساس قوانین اصلی مکانیک استوار است ولی دو فرق عمده و مهم بین این دو مکانیک وجود دارد:

۱– خواص و ویژگی‌های سیالات با جامدات سبکی متفاوت است و این ویژگی‌ها اغلب با حرکت سیال تغییر می‌کند.

۲– در مکانیک جامدات معمولا حرکت اجسامی با جرم و ابعاد مشخص بررسی می شود ولی در مکانیک سیالات مطالعه حرکت پیوسته سیال، به صورت یک جریان مورد نظر می باشد. به بیان دیگر در مکانیک اجسام صلب مسیر حرکت ذره مشخص است ولی در مکانیک سیالات این مسیر نا مشخص و امکان مطالعه حرکت ذره منفرد وجود ندارد.

تا اوایل قرن بیستم مطالعه سیالات را اساسا دو گروه هیدرولیک‌دانان و ریاضیدانان، انجام می‌‌دادند. هیدرولیک‌دانان به صورت تجربی کار می‌‌کردند، در حالی که ریاضیدانان توجه خود را بر روشهای تحلیلی متمرکز کرده بودند. آزمایشهای وسیع و اغلب مبتکرانه گروه اول اطلاعات زیاد و ارزشمندی را در اختیار مهندس کاربردی آن روز قرار می‌‌داد. البته به علت عدم تعمیم یک نظریه کارآمد این نتایج دارای ارزش محدودی بودند. ریاضیدانان نیز با غفلت از اطلاعات تجربی مفروضات آن چنان ساده‌ای را در نظر می‌‌گرفتند که نتایج آنها گاه بطور کامل با واقعیت مغایرت داشت.

محققان برجسته‌ای مانند رینولدز ، فرود ، پرانتل و فن کارمان پی بردند که مطالعه سیالات باید آمیزه‌ای از نظریه و آزمایش باشد. این مطالعات سرآغازی برای رسیدن علم مکانیک سیالات به مرحله کنونی آن بوده است. تسهیلات جدید پژوهش و آزمون که ریاضیدانان و فیزیکدانان ، مهندسان و تکنیسین‌های ماهر در کار جمعی از آن استفاده می‌‌کنند، هر دو دیدگاه را به هم نزدیک می‌‌کند.

انواع سیالات

سیال را ماده‌ای تعریف می‌کنند که وقتی تنش برشی هر چند کوچکی وجود داشته باشد، شکل آن بطور پیوسته تغییر کند. جسم جامد وقتی تحت تاثیر تنش برشی قرار بگیرد، تغییر مکان معینی می‌‌دهد، یا کاملا می‌‌شکند. مثلا قطعه جامد وقتی تحت تاثیر تنش برشی τ قرار بگیرد، تغییر شکلی می‌‌دهد که آن را با زاویه Δα مشخص کرده‌ایم. اگر به جای آن یک ذره سیال قرار داشت، Δα ثابتی وجود نداشت، حتی اگر تنش بینهایت کوچک می‌‌بود. در عوض تا وقتی که تنش برشی τ اعمال شود، یک تغییر شکل پیوسته ادامه دارد.

در موادی مانند پارافین که گاهی آنها را پلاستیک می‌‌نامیم، هر دو نوع تغییر شکل برشی را می‌‌توان یافت که اگر به مقدار معینی کمتر باشد، تغییر مکانهایی مشابه تغییر مکان جسم جامد بوجود می‌‌آید و اگر مقدار تنش برشی بیش از این مقدار باشد، به تغییر شکل پیوسته‌ای مشابه تغییر شکل سیال می‌‌انجامد. مقدار این تنش برشی حد فاصل ، به نوع و حالت ماده بستگی دارد.

در حالت کلی سیالات به دو گروه تقسیم می‌شوند: مایعات و گازها. تمایز این دو گروه به اثر نیروهای چسبندگی آنهاهست .

خواص مایعات :

مایعات از مولکول‌های نسبتاً نزدیکتر به هم، با نیروی چسبنده قویتری نسبت به گازها، تشکیل می‌شوند. در حالت کلی تراکم ناپذیرند، اما هرگاه تحت فشار بسیار بالا قرار می گیرند باید تراکم‌پذیر منظور گردند. مایعات به شکل ظرف حاوی خود در می‌آیند و در میدان گرانشی و شرایط غیر مقید دارای سطح آزاد هستند. مایعات تحت اثر نیروی برشی مناسب با سطح آزاد سیال تغییر شکل می‌دهند.

دو مایع که در یکدیگر حل می‌شوند، وقتی به هم می‌رسند، در یکدیگر نفوذ می‌کنند. اگر مایعی را با دقت کافی روی مایع دیگر که چگالی بیشتر دارد بریزیم، مرز مشخصی بین آنها مشاهده می‌کنیم. این مرز همچنانکه مولکول‌های دو مایع در هم می‌آمیزند، به تدریج نامشخص تر و پس از مدتی به کلی ناپدید می‌شود.

خواص گازها :

گازها از مولکول‌هایی تشکیل می‌شوند که در فاصله نسبتاً دور ازهم قرار دارند و نیروی چسبندگی بین آنها ناچیز است، در حالت کلی تراکم پذیرند، اما هرگاه تغییر فشار در گازها کوچک باشد این تراکم پذیری قابل صرف نظر است، گازها آزادانه منبسط می‌شوند، یک حجم مشخص ندارند، و فاقد سطح آزاد و آثار گرانشی (غیر از نیروی شناوری) هستند.

از لحاظ بحث لزجت که در ادامه به آن خواهیم پرداخت می‌توان گفت مایعات از لزجت بیشتری نسبت به گازها برخوردارند و تمایل به حرکت کمتری نسبت به گازها دارند

سه قانون ساده گازها

قانون ساده گازها رابطه بین دو متغییر از چهار متغییر را وقتی که دو متغییر دیگر ثابت باشند بیان می‌کند:

قانون بویل حجم یک نمونه از گاز در دمای ثابت ، به نسبت عکس فشار تغییر می‌کند.
قانون شارل – گیلوسارک: در فشار ثابت ، حجم یک نمونه گاز با دمای مطلق (دمای کلوین) نسبت مستقیم دارد.
قانون آمونتون: تغییرات فشار یک گاز در حجم ثابت با تغییرات دمای مطلق نسبت مستقیم دارد.

قانون فشارهای جزئی جان دالتون

فشار کل مخلوطی از گازها برای مجموع فشارهای جزئی هر کی از آن گازها است.
فشار جزئی: فشاری که یک جز از یک مخلوط اگر به تنهایی در حجم مورد نظر می‌بود اعمال می‌کرد.

قانون نفوذ مولکولی گراهام

فردید (قانون) پخش مولکولی، نفوذ مولکولی یا واپخش گراهام در سال ١٨٤٨ میلادی توسط دانشمند فیزیک دان و شیمی دان اسکاتلندی توماس گراهام بیان شد.گراهام به طور تجربی دریافت که سرعت نفوذ گاز با جذر وزن مولکولی گاز، به طور معکوس متناسب است. بر اساس فردید واپخش گراهام، سرعت نفوذ گازها (تعداد مولکول های عبور کرده از حفره در ثانیه) به وزن مولکولی گاز ها بستگی دارد. در واقع گازهایی که وزن مولکولی کم تری دارند سریع تر از گازهایی که وزن بیشتری دارند، از درون حفره عبور می کنند. بنابراین گازی که دارای وزن مولکولی پایین تری است، سرعت نفوذ مولکولی بالاتری دارد بنابراین زمان مربوط به نفوذ آن کم تر است. بنابراین مولکول های سبک تر ، سرعت بالاتری دارند. تئوری کامل تری از قانون گراهام سال ها بعد به صورت تئوری سینتیکی و جنبشی گازها ارائه شد.

نفوذ مولکولی: اگر در ظرفی حاوی گاز ، منفذی بسیار کوچک تعبیه شود مولکولهای گاز از آن منفذ فرار می‌کنند.
قانون نفوذ گراهام: سرعت نفوذ یک گاز با جذر چگالی یا جذر وزن آن گاز نسبت معکوس دارد.

قانون ترکیب حجمی گیلوساک و اصل آووگادرو

آزمایش های شیمی دان و فیزیکدان فرانسوی، ژوزف لویی گی لوساک، محاسبات حجمی در گازها را بنا نهاد و نتایج آزمایشات او منجر به معرفی قانون نسبت های ترکیبی گردید. براساس این قانون، در دما و فشار ثابت، گازها در نسبت های حجمی معینی با هم واکنش می کنند.

این نسبت های حجمی به طور مستقیم با نسبت ضرایب این گازها در معادله موازنه شده واکنش متناسب هستند. به عنوان مثال در واکنش مربوط به تشکیل آمونیاک یک مول گاز N2 با سه مول گاز H2 واکنش می دهد و دو مول گاز NH3 تولید می کند.

قانون نسبت های ترکیبی و قانون آووگادرو

طبق قانون نسبت های ترکیبی گی لوساک می توان به جای نسبت مولی، نسبت حجمی گازها را بیان کرد و این گونه عنوان نمود که یک حجم گاز N2 با سه حجم گاز H2 واکنش داده و تولید دو حجم گاز NH3 می کنند.

حجم گازهای مصرف شده با تولید شده در یک واکنش شیمیایی ، در فشار و دمای ثابت ، با نسبتهای اعداد صحیح کوچک بیان می‌شود. اصل آووگادرو توضیحی برای قانون گیلوساک ارائه می‌کند.

مقایسه جامدات وسیالات

1- سیالات دارای شکل معینی نیستند ولی جامدات شکل معینی دارند.

2- تنش در سیالات جهت نداشته وبصورت یک کمیت اسکالر است ولی در جامدات دارای جهت است.

3- یک جسم جامد قادر است در برابر یک تنش برشی یا تغییر شکل معین وثابت مقاومت کند ولی اگر به یک سیال تنش برشی هر چند ناچیز هم وارد شود، تا موقعی که این تنش برشی اعمال می شود به طور پیوسته تغییر شکل و حرکت خواهد داشت.

ویسکوزیته سنتیکی و مطلق هوا در دماهای مختلف

تعریف شاره یا سَیّال

نگاه اجمالی

مکانیک سیالات

انواع سیالات

آموزش ویسکوزیته

پاسخی بگذارید لغو پاسخ