تراکم پذیری در علم ترمودینامیک و مکانیک سیالات

وقتی اکثر مردم به سیالات فکر می کنند یا در مورد آن صحبت می کنند، معمولاً منظور آنها مایعات است. این تصویر کاملا صحیح نیست. در واقع سیال محیطی است که ذرات به راحتی در آن حرکت می کنند و موقعیت نسبی خود را بدون جدا شدن جرم تغییر می دهند و به راحتی در مقابل نیروهای وارده تسلیم می شوند. این بدان معنی است که سیالات شامل گازها نیز هستند زیرا آنها نیز جریان دارند. در واقع، ریشه کلمه «سیال» ازکلمه لاتین fluere آمده است که به معنای «جریان داشتن» است و علم مکانیک سیالات نیز بر این اساس به وجود آمده است.

گازها رفتاری متفاوت از مایعات دارند. برای درک آنچه که اتفاق می افتد، باید عملکرد درونی مواد در سطوح اتمی و مولکولی را درک کنیم. در هر ماده ای، پیوندهای شیمیایی، قطبیت، نیروها، به علاوه پیکربندی فیزیکی اتم ها در یک مولکول، ویژگی های ناخالص ماده، مانند ویسکوزیته و تراکم پذیری را تعیین می کند. این نیروها که در مقیاس اتمی عمل می کنند و عوامل اصلی خواصی هستند که ما در این مواد حجیم تجربه می کنیم. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا ما را همراهی کنید.

علم ترمودینامیک و مکانیک سیالات چیست؟

در علم ترمودینامیک و مکانیک سیالات تراکم پذیری به عنوان تراکم پذیری همدما یا ضریب تراکم پذیری نیز شناخته می شود. تراکم پذیری، تغییر نسبی حجم یک سیال را هنگامی که تنش یا فشار به آن وارد می شود، اندازه گیری می کند. تراکم پذیری سیالات به صورت زیر اندازه گیری می شود.

β=-(-۱)/v ∂v/∂p

در اینجا، فشار با p و حجم با V نشان داده می شود. تراکم پذیری به عنوان یک کسر منفی تعریف می شود، زیرا در مواردی که کاهش حجم با افزایش فشار وجود دارد، تراکم پذیری را مثبت می کند.

مکانیک سیالات چیست؟

مکانیک سیالات شاخه ای از علم است که به مطالعه سیالات می پردازد، یعنی مایعات یا گازهایی که در حال سکون یا حرکت هستند را مورد مطالعه قرار می دهد. «دینامیک سیالات» مطالعه سیال در حال حرکت نامیده می شود، در حالی که مطالعه سیال در حالت سکون به عنوان «استاتیک سیال» شناخته می شود. بسیاری از موضوعات اساسی مانند ویسکوزیته، چگالی، فشار بخار، کشش سطحی و کاویتاسیون برای درک کامل دینامیک سیالات مورد نیاز است.

مکانیک سیالات یک موضوع گسترده است و به مسائل مربوط به رفتار مکانیکی سیالات می پردازد. سیالات به طور کلی می توانند به معنای مایعات و گازها باشند. مکانیک سیالات کاربردهای گسترده ای دارد، از مهندسی مکانیک و هوافضا گرفته تا ژئوفیزیک و بیومکانیک. یافتن مواردی در دنیای واقعی که تحت تأثیر جریان سیال نیستند، بسیار دشوار است. هیچ کتاب مکانیک سیالات واحدی وجود ندارد که این موضوع را به طور کامل پوشش دهد، اما در اینجا لیستی برای کمک به مطالعه این موضوع برای شما ارائه شده است.

مواد جامد

جامدات شکل خاص خود را دارند، زیرا پیوند شیمیایی بین این مواد نسبتاً قوی است. با این حال، بارهای مشابه الکترون ‌ها برای دفع اتم‌ ها با نزدیک‌ تر شدن به یکدیگر عمل می ‌کنند. برعکس، اگر اتم ها از هم دور شوند، توسط پیوند کووالانسی به سمت یکدیگر کشیده می شوند.

فاصله بین هر اتم به دلیل استحکام پیوند آنها است این پیوند فقط می تواند آنها را به دلیل نیروهای جاذبه محکم در کنار هم نگه دارد. بنابراین هنگامی که نیرویی از هر جهت به این مولکول ها وارد می شود، مقاومت در برابر فشرده سازی بین هر اتم بسیار زیاد خواهد بود، که منجر به حداقل فشرده سازی در جامد توده ای می شود.

مایعات

از طرف دیگر مایعات فضای بیشتری بین مولکول ها دارند که به آنها امکان حرکت نسبی بیشتری را می دهد. با این حال، پیوندهای بین مولکولی به اندازه جامدات قوی نیستند. به عنوان مثال، آب یک مولکول قطبی است و پیوند دوقطبی را نشان می دهد. اتم اکسیژن کمی منفی و دو اتم هیدروژن کمی مثبت هستند.

از آنجایی که این بارهای دوقطبی از نظر استحکام بسیار کمتر از پیوندهای معمولی هستند، نیروهای واندروالس بین مولکول ها ضعیف بوده و ثابت نیستند. هر کدام از این پیوند ها ممکن است میلیاردها بار در ثانیه بشکند و دوباره ساخته شود. این چیزی است که به آب اجازه می دهد جریان داشته باشد و در عین حال مایع باقی بماند. نیروهای بین مولکولی ضعیف تر و فاصله بین مولکولی بیشتر، دلیلی است که مایعات می توانند بیشتر از جامدها فشرده شوند.

گازها

برای گازهایی مانند نیتروژن یا هوا، هیچ پیوندی بین مولکول ها در دما و فشار معمولی وجود ندارد. هر مولکول با سرعت بالایی در جهات مختلف حرکت می کند. هنگامی که دو مولکول گاز با هم برخورد می کنند، با خاصیت ارتجاعی کامل از یکدیگر جدا می شوند. فاصله بین مولکولی در گازها آنقدر زیاد است که نیروهای بین مولکولی در گازها قابل توجه نباشد.

در دمای اتاق و فشار استاندارد، فاصله متوسط بین مولکول های گاز حدود ده برابر قطر خود مولکول ها است. بنابراین وقتی یک نیروی خارجی به مولکول‌های گاز وارد می ‌شود، آنها مجبور می ‌شوند به هم نزدیک ‌تر شوند. این امر گازها را به شدت تراکم ‌پذیر می کند.

ضریب تراکم پذیری چیست؟

همه مواد، اعم از مایع، جامد یا گاز، تحت تاثیر تنش توسط یک نیروی خارجی، شکل خود را تغییر می دهند. این نیروی خارجی منجر به فشار بر سیال می شود. فشار، نیرو بر واحد سطح است. هنگامی که فشار روی یک سیال اعمال می شود، در همه جهات یکنواخت است.

همچنین هنگامی که فشار روی یک مایع وارد می شود، حجم مایع کاهش می یابد. این اثر با مدول الاستیسیته توده ای ارزیابی می شود. ضریب تراکم پذیری نیز به صورت معکوس مدول الاستیسیته حجمی بیان می شود. علامت منفی در معادله نشان می دهد که حجم سیال با افزایش فشار کاهش می یابد.

حجم با چگالی نسبت معکوس دارد. از این رو، در طول فشرده سازی، افزایش دما می تواند باعث تغییر در چگالی و تغییر در فشار شود. اگر دما در کل ثابت باشد، شرایط به عنوان مدول حجمی همدما شناخته می شود. اگر در طول فشرده سازی گرما اضافه یا حذف نشود، شرایط به عنوان مدول آدیاباتیک یا مدول حجیم آدیاباتیک شناخته می شود.

اهمیت تراکم پذیری

مفهوم مدول حجمی عمدتا برای مایعات اعمال می شود. در مورد گازها، تراکم پذیری بسیار بالاتر است. بنابراین، مقدار مدول حجیم K ثابت نیست و ممکن است بر اساس شرایط متفاوت باشد. این مدول بستگی به فشار دارد و تغییرات در آن بسیار سریع است.

برای مایعات، تغییر فشار مانند گازها چندان قابل توجه نیست. از این رو، مایعات به عنوان تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شوند در حالی که گازها به عنوان تراکم پذیر در نظر گرفته می شوند. گاهی اوقات هنگامی که تغییرات فشار بسیار کم است، گازها را می توان به عنوان تراکم ناپذیر نیز در نظر گرفت.

جریان چیست؟

حرکت مایعات و گازها به طور کلی به عنوان «جریان» شناخته می شود. جریان مفهومی است که نحوه رفتار سیالات و نحوه تعامل آنها با محیط اطراف خود را توصیف می کند. جریان می تواند ثابت یا ناپایدار باشد. جریان های ثابت در طول زمان تغییر نمی کنند. یک مثال از جریان ثابت می تواند جریان آب در یک لوله با سرعت ثابت باشد. از سوی دیگر، سیل یا آبی که از یک پمپ دستی می ‌ریزد، نمونه ‌هایی از جریان ناپایدار هستند.

انواع جریان

جریان همچنین می تواند آرام یا متلاطم باشد. جریان های آرام، سرعت کمی دارند. در حالی که جریان های متلاطم آشفته تر هستند. یکی از عوامل مهم در تعیین وضعیت جریان سیال، ویسکوزیته یا ضخامت آن است. ویسکوزیته زیادتر تمایل جریان به آرام بودن را افزایش می دهد. در جریان های آشفته یا متلاطم، نیروهای دیگری ممکن است در خنثی کردن اثر ویسکوزیته عمل کنند.

جریان آرام در بسیاری از موقعیت ها مانند سیستم های زهکشی یا بال های هواپیما مطلوب است. زیرا کارایی بیشتری دارند و انرژی کمتری از دست می رود. جریان آشفته می تواند برای مخلوط شدن سیالات مختلف با یکدیگر یا برای یکسان سازی دما مفید باشد. با این حال، پیش ‌بینی دقیق چنین جریان ‌هایی می ‌تواند بسیار دشوار باشد و تمایز بین این دو نوع جریان تا حد زیادی شهودی است.

اندازه گیری جریان

یک عامل مهم در اندازه گیری جریان سیال، عدد رینولدز (Re) سیال است که به افتخار آزبورن رینولدز دانشمند قرن نوزدهم نامگذاری شده است. اگرچه اندازه گیری سرعت جریان اولین بار در سال ۱۸۵۱ توسط فیزیکدان جورج گابریل استوکس توصیف شد. تعریف عدد رینولدز را می توان به نسبت نیروهای اینرسی به ویسکوز بیان کرد. نیروی اینرسی مقاومت سیال در برابر تغییر حرکت است و نیروی ویسکوز مقدار اصطکاک ناشی از ویسکوزیته یا ضخامت سیال است.

توجه داشته باشید که عدد رینولدز تنها یک ویژگی سیال نیست. این عدد همچنین شامل شرایط جریان مانند سرعت، اندازه و شکل مجرا یا هر گونه موانع است.

در عدد رینولدز پایین، جریان تمایل به صاف یا آرام بودن دارد. در حالی که در عدد رینولدز بالا، جریان متلاطم است و گرداب‌ ها را تشکیل می ‌دهد. این عدد همچنین می تواند برای پیش بینی سرعت انتقال جریان از آرام به آشفته استفاده شود.

جریان تراکم پذیر در مقابل جریان تراکم ناپذیر

همه سیالات تا حدی قابل تراکم هستند، یعنی تغییر در فشار یا دما منجر به تغییر در چگالی آنها می شود. با این حال، در بسیاری از موقعیت ‌ها تغییرات فشار و دما به اندازه ‌ای کم است که تغییرات در چگالی ناچیز است. در این حالت جریان را می توان به عنوان یک جریان تراکم ناپذیر در نظر گرفت. در غیر این صورت باید از معادلات کلی تری برای جریان تراکم پذیر استفاده کرد.

از نظر ریاضی، تراکم ناپذیری با فرمول زیر بیان می شود که در آن چگالی ( ρ ) یک سیال با حرکت در میدان جریان تغییر نمی کند.

Dp/Dt=0

که در آن D / Dt مجموع مشتقات محلی و همرفتی است.

مشکلات در دینامیک سیالات

دانشمندان اغلب سعی می کنند جریان را با استفاده از شکل هایی به نام خطوط جریان، خطوط خطی و مسیرها تجسم کنند. به عبارت دیگر، یک خط جریان جهت جریان را در هر نقطه خاصی از جریان نشان می دهد. اگر جریان در طول زمان تغییر نکند، مسیر همان خط جریان خواهد بود. با این حال، در مورد جریان آشفته یا ناپایدار، این خطوط می توانند کاملا متفاوت باشند.

اکثر مسائل در علم ترمودینامیک و مکانیک سیالات آنقدر پیچیده هستند که با محاسبه مستقیم قابل حل نیستند. در این موارد، مسائل باید با روش های عددی و با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری حل شوند. این حوزه مطالعاتی، دینامیک سیالات عددی یا محاسباتی (CFD) نامیده می شود. با این حال، از آنجایی که جریان متلاطم تمایل به غیرخطی و آشفتگی دارد، باید در تنظیم قوانین و شرایط اولیه برای این شبیه‌ سازی‌ ها دقت خاصی صورت گیرد. تغییرات کوچک در ابتدا می تواند منجر به تفاوت های بزرگ در نتایج شود.

سخن آخر

تراکم پذیری سیالات نقش مهمی در طراحی یک سیستم فرآیند در بخش صنعتی و همچنین حفظ کارایی در زیرساخت یک آزمایشگاه کالیبراسیون دارد. انتخاب کالیبراتور مناسب در حین بهینه سازی سیستم برای جبران تراکم پذیری اجزای سیستم و دستگاه های مورد استفاده، نتایج کالیبراسیون دقیق تری را ارائه می دهد.

تراکم پذیری می تواند با سیالات مختلف با تفاوت در مدول حجیم، ویسکوزیته، ضریب دمایی محیط و حلالیت بسیار متفاوت باشد. امیدواریم از مطالعه این مقاله لذت برده باشید.