वाष्प गतिकी

वाष्प गतिकी द्रव गतिकी की शाखा में विज्ञान है, जो वाष्प की गति और भौतिक प्रणालियों पर इसके प्रभावों के अध्ययन से संबंधित है। द्रव यांत्रिकी और ऊष्मप्रवैगिकी के सिद्धांतों के आधार पर, ट्रांसोनिक और सुपरसोनिक फ्लाइट में वाष्प तरंग के अध्ययन से वाष्प गतिशीलता उत्पन्न होती है। इस प्रकार द्रव गतिकी में अन्य विज्ञानों से स्वयं को भिन्न करने के लिए, वाष्प गतिकी में अध्ययन को अधिकांशतः ध्वनि की गति के समान या उससे अधिक गति से भौतिक निकायों के चारों ओर या अन्दर बहने वाली वाष्प के साथ परिभाषित किया जाता है और तापमान और दाब में महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है। इन अध्ययनों के कुछ उदाहरणों में नोजल और वाल्वों में अवरुद्ध तरंग, जेट के चारों ओर शॉक तरंगें, वायुमंडलीय पुन: प्रवेश वाहनों पर वायुगतिकीय हीटिंग और एक जेट इंजन के अन्दर वाष्प ईंधन का तरंग सम्मिलित है, किन्तु यह इन्हीं तक सीमित नहीं है। इस प्रकार आणविक स्तर पर, वाष्प गतिकी वाष्प के गतिज सिद्धांत का अध्ययन है, जो अधिकांशतः आणविक प्रसार, सांख्यिकीय यांत्रिकी, रासायनिक ऊष्मप्रवैगिकी और गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स के अध्ययन की ओर ले जाता है। जब वाष्प क्षेत्र वायु हो और अध्ययन का विषय उड़ान हो तो वाष्प गतिकी वायुगतिकी का पर्याय है। इस प्रकार यह विमान और विमान के डिजाइन और उनके संबंधित संचालक में अत्यधिक प्रासंगिक है।

इतिहास
इस प्रकार वाष्प गतिशीलता में प्रगति ट्रांसोनिक और सुपरसोनिक उड़ानों के विकास के साथ मेल खाती है। जैसे-जैसे विमान तेजी से यात्रा करने लगे, वायु का घनत्व परिवर्तन, जैसे-जैसे वायु की गति ध्वनि की गति के निकट पहुंची, वायु का प्रतिरोध अधिक बढ़ गया था। इस घटना को पश्चात् में पवन सुरंग प्रयोगों में विमान के चारों ओर तरंगों के गठन के कारण होने वाले तरंग खिंचाव के रूप में पहचाना गया था। इस प्रकार द्वितीय विश्व युद्ध के समय और उसके पश्चात् के व्यवहार का वर्णन करने के लिए प्रमुख प्रगति की गई, और संपीड़ित तरंग और मच संख्या वस्तुओं के चारों ओर उच्च गति तरंग पर नई समझ वाष्प गतिशीलता के सिद्धांत बन गए थे।

चूंकि ब्राउनियन गति में वाष्प छोटे कण हैं, यह धारणा व्यापक रूप से स्वीकृत हो गई और कई मात्रात्मक अध्ययन यह पुष्टि करते हैं कि वाष्प के मैक्रोस्कोपिक गुण, जैसे तापमान, दाब और घनत्व, गतिमान कणों के कोलिसन के परिणाम हैं, इस प्रकार वाष्प के गतिज सिद्धांत का अध्ययन तेजी से वाष्प गतिशीलता का एकीकृत भाग बन गया था। वाष्प गतिकी पर आधुनिक किताबें और कक्षाएं अधिकांशतः गतिज सिद्धांत के परिचय के साथ प्रारंभ होती हैं। इस प्रकार कंप्यूटर सिमुलेशन में आणविक मॉडलिंग के आगमन ने गतिज सिद्धांत को वाष्प गतिशीलता पर आज के शोध में अत्यधिक प्रासंगिक विषय बना दिया है।

परिचयात्मक शब्दावली

 * संपीड़न
 * मच संख्या
 * प्रसार

इस प्रकार वाष्प गतिशीलता वाष्प के दो अणुओं के मध्य की दूरी में औसत मूल्य का अवलोकन है जो उस संरचना को नजरंदाज किए बिना टकराई है जिसमें अणु निहित हैं। इस क्षेत्र में वाष्प के गतिज सिद्धांत के विचारों में बड़ी मात्रा में ज्ञान और व्यावहारिक उपयोग की आवश्यकता होती है, और वाष्प सतहों के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती है, इसके अध्ययन के माध्यम से यह वाष्प के गतिज सिद्धांत को ठोस अवस्था भौतिकी से जोड़ता है।

द्रव की परिभाषा
इस प्रकार द्रव पदार्थ ऐसे पदार्थ हैं जो भारी मात्रा में तनाव के अनुसार स्थायी रूप से नहीं परिवर्तित हैं। अत्यधिक तनाव के अनुसार संतुलन में बने रहने के लिए कोई ठोस पदार्थ विकृत हो जाता है। इस प्रकार द्रव पदार्थ को द्रव और वाष्प दोनों के रूप में परिभाषित किया जाता है क्योंकि द्रव के अंदर के अणु ठोस में उपस्थित अणुओं की तुलना में बहुत अशक्त होते हैं। जब किसी द्रव के घनत्व को द्रव के संदर्भ में संदर्भित किया जाता है, तो दाब बढ़ने पर द्रव के घनत्व में छोटा प्रतिशत परिवर्तन होता है। यदि द्रव पदार्थ को वाष्प के रूप में संदर्भित किया जाता है, तो वाष्प के लिए स्थिति के समीकरण (P = ρRT) के कारण प्रयुक्त दाब की मात्रा के आधार पर घनत्व अधिक परिवर्तित हो जाता है। इस प्रकार द्रवों के तरंग के अध्ययन में घनत्व में परिवर्तन का उल्लेख करते समय प्रयुक्त शब्द को असम्पीड्य तरंग कहा जाता है। वाष्प के तरंग के अध्ययन में दाब बढ़ने के कारण होने वाली तीव्र वृद्धि को संपीड़ित तरंग कहा जाता है।

वास्तविक वाष्प
वास्तविक वाष्प को समीकरण PV = zn0RT में उनकी संपीड़ितता (z) द्वारा दर्शाया जाता है. जब दाब P को वॉल्यूम V के फ़ंक्शन के रूप में सेट किया जाता है, जहां श्रृंखला निर्धारित तापमान T, P और V द्वारा निर्धारित की जाती है, तो अतिशयोक्तिपूर्ण संबंध लेना प्रारंभ हो जाता है जो आदर्श वाष्प द्वारा प्रदर्शित होते हैं क्योंकि तापमान बहुत अधिक होना प्रारंभ हो जाता है। इस प्रकार महत्वपूर्ण बिंदु तब पहुँच जाता है जब आरेख का प्रवणता शून्य के समान होता है और द्रव और वाष्प के मध्य द्रव की स्थिति को परिवर्तित हो देता है। आदर्श वाष्प के गुणों में श्यानता, तापीय चालकता और प्रसार सम्मिलित हैं।

श्यानता
इस प्रकार वाष्प की श्यानता वाष्प के प्रत्येक अणु के स्थानांतरण का परिणाम है क्योंकि वह एक परत से दूसरे परत तक निकलते हैं। जैसे-जैसे वाष्प एक-दूसरे से निकलने की प्रवृत्ति रखती हैं, तेज गति से चलने वाले अणु का वेग, संवेग के रूप में, धीमी गति से चलने वाले अणु की गति को बढ़ा देता है। जैसे ही धीमी गति से चलने वाला अणु तेज गति से चलने वाले अणु से निकलता है, धीमी गति से चलने वाले कण की गति तेज गति से चलने वाले कण की गति को धीमा कर देती है। इस प्रकार अणु तब तक सक्रिय रहते हैं जब तक कि घर्षण के कारण दोनों अणु अपने वेग को समान नहीं कर देते है।

तापीय चालकता
वाष्प की तापीय चालकता वाष्प की श्यानता के विश्लेषण के माध्यम से पाई जा सकती है, अतिरिक्त इसके कि अणु स्थिर हैं जबकि केवल वाष्प का तापमान परिवर्तित हो रहा है। इस प्रकार तापीय चालकता को विशिष्ट समय में विशिष्ट क्षेत्र में स्थानांतरित की गई गर्मी की मात्रा के रूप में कहा जाता है। तापीय चालकता सदैव तापमान प्रवणता की दिशा के विपरीत प्रवाहित होती है।

प्रसार
वाष्प का प्रसार वाष्प की समान सांद्रता के साथ कॉन्फ़िगर किया गया है और जबकि वाष्प स्थिर हैं। इस प्रकार प्रसार दो वाष्प के मध्य अशक्त सांद्रता प्रवणता के कारण दो वाष्प के मध्य सांद्रता में परिवर्तन है। प्रसार समयावधि में द्रव्यमान का परिवहन है।

शॉक तरंग
इस प्रकार शॉक तरंग को सुपरसोनिक तरंग क्षेत्र में संपीड़न मोर्चे के रूप में वर्णित किया जा सकता है, और सामने की ओर तरंग प्रक्रिया के परिणामस्वरूप द्रव गुणों में अचानक परिवर्तन होता है। शॉक तरंग की मोटाई तरंग क्षेत्र में वाष्प अणुओं के औसत मुक्त पथ के समान है। दूसरे शब्दों में, शॉक पतला क्षेत्र है जहां तापमान, दाब और वेग में बड़े परिवर्तन होते हैं, और जहां गति और ऊर्जा की परिवहन घटनाएं महत्वपूर्ण होती हैं। इस प्रकार सामान्य शॉक तरंग की दिशा के लिए सामान्य संपीड़न मोर्चा है। चूंकि, विभिन्न प्रकार की भौतिक स्थितियों में, तरंग के कोण पर इच्छुक संपीड़न तरंग उत्पन्न होती है। ऐसी तरंग को विषम शॉक कहा जाता है। सामान्यतः, बाहरी तरंग में स्वाभाविक रूप से होने वाले सभी शॉक विषम होते हैं।

स्थिर सामान्य शॉक तरंग
इस प्रकार स्थिर सामान्य शॉक तरंग को तरंग दिशा की सामान्य दिशा में जाने के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। उदाहरण के लिए, जब पिस्टन ट्यूब के अंदर स्थिर दर से चलता है, तो ट्यूब से नीचे जाने वाली ध्वनि तरंगें उत्पन्न होती हैं। जैसे-जैसे पिस्टन चलता रहता है, तरंगें साथ आने लगती हैं और ट्यूब के अंदर वाष्प को संपीड़ित करती हैं। सामान्य शॉक तरंगों के साथ आने वाली विभिन्न गणनाएं उन ट्यूबों के आकार के कारण भिन्न हो सकती हैं जिनमें वह समाहित हैं। परिवर्तित क्षेत्रों के साथ अभिसरण-अपसारी नोजल और ट्यूब जैसी असामान्यताएं मात्रा, दाब और मच संख्या जैसी गणनाओं को प्रभावित कर सकती हैं।

सामान्य शॉक तरंगों का प्रारंभ
इस प्रकार स्थिर सामान्य शॉक तरंग के विपरीत, सामान्य शॉक तरंग भौतिक स्थितियों में अधिक सामान्यतः उपलब्ध होती हैं। उदाहरण के लिए, वायुमंडल में प्रवेश करने वाली ब्लंट वस्तु को शॉक का सामना करना पड़ता है जो गैर-गतिशील वाष्प के माध्यम से आता है। गतिशील सामान्य शॉक तरंग के माध्यम से आने वाली मूलभूत समस्या गतिहीन वाष्प के माध्यम से सामान्य शॉक तरंग का क्षण है। गतिशील शॉक तरंग का दृष्टिकोण इसे गतिशील या गैर-गतिशील शॉक तरंग के रूप में दर्शाता है। इस प्रकार वायुमंडल में प्रवेश करने वाली किसी वस्तु का उदाहरण वस्तु को शॉक तरंग की विपरीत दिशा में यात्रा करते हुए दर्शाता है जिसके परिणामस्वरूप गतिशील शॉक तरंग उत्पन्न होती है, किन्तु यदि वस्तु शॉक तरंग के शीर्ष पर स्थित होकर अंतरिक्ष में प्रक्षेपित हो रही है, तो यह स्थिर शॉक तरंग प्रतीत होती है, गतिशील और स्थिर शॉक तरंग की गति और शॉक अनुपात के साथ संबंधों और तुलनाओं की गणना व्यापक सूत्रों के माध्यम से की जा सकती है।

घर्षण और संपीड़ित तरंग
इस प्रकार घर्षण बल में संपीड़ित तरंग के तरंग गुणों को निर्धारित करने में भूमिका निभाते हैं। गणना में, घर्षण को या तो सम्मिलित या अनन्य के रूप में लिया जाता है। यदि घर्षण सम्मिलित है, तो संपीड़ित तरंग का विश्लेषण अधिक सम्मिश्र हो जाता है जैसे कि घर्षण सम्मिलित नहीं है। यदि घर्षण विश्लेषण के लिए विशेष है, तो कुछ प्रतिबंध लगाए जाएंगे। इस प्रकार जब संपीड़ित तरंग पर घर्षण सम्मिलित होता है, तो घर्षण उन क्षेत्रों को सीमित कर देता है जिनमें विश्लेषण के परिणाम प्रयुक्त होते हैं। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, डक्ट का आकार, जैसे भिन्न-भिन्न आकार या नोजल, घर्षण और संपीड़ित तरंग के मध्य विभिन्न गणनाओं को प्रभावित करते हैं।

संदर्भ

 * Specific


 * General

बाहरी संबंध

 * Georgia Tech web page on gas dynamics topics