वाष्प गतिकी
गैस गतिकी द्रव गतिकी की शाखा में विज्ञान है, जो गैसों 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 गैस तरंग के अध्ययन से गैस गतिशीलता उत्पन्न होती है। द्रव गतिकी में अन्य विज्ञानों से स्वयं को भिन्न करने के लिए, गैस गतिकी में अध्ययन को अधिकांशतः ध्वनि की गति के समान या उससे अधिक गति से भौतिक निकायों के चारों ओर या अन्दर बहने वाली गैसों के साथ परिभाषित किया जाता है और तापमान और दाब में महत्वपूर्ण परिवर्तन होता है।[1] 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 गैस ईंधन का तरंग सम्मिलित है, किन्तु यह इन्हीं तक सीमित नहीं है। आणविक स्तर पर, गैस गतिकी गैसों 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।[2] जब गैस क्षेत्र वायु हो और अध्ययन का विषय उड़ान हो तो गैस गतिकी वायुगतिकी का पर्याय है। यह विमान और विमान के डिजाइन और उनके संबंधित संचालक में अत्यधिक प्रासंगिक है।
इतिहास
गैस 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। 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 गैस गतिशीलता के सिद्धांत बन गए थे।
चूंकि ब्राउनियन गति में गैसें छोटे कण हैं, यह धारणा व्यापक रूप से स्वीकृत हो गई और कई मात्रात्मक अध्ययन यह पुष्टि करते हैं कि गैसों के मैक्रोस्कोपिक गुण, जैसे तापमान, दाब और घनत्व, गतिमान कणों के कोलिसन के परिणाम हैं,[3] गैसों के गतिज सिद्धांत का अध्ययन तेजी से गैस गतिशीलता का एकीकृत भाग बन गया था। गैस गतिकी पर आधुनिक किताबें और कक्षाएं अधिकांशतः गतिज सिद्धांत के परिचय के साथ प्रारंभ होती हैं।[2][4] कंप्यूटर सिमुलेशन में आणविक मॉडलिंग के आगमन ने गतिज सिद्धांत को गैस गतिशीलता पर आज के शोध में अत्यधिक प्रासंगिक विषय बना दिया है।[5][6]
परिचयात्मक शब्दावली
गैस गतिशीलता गैस 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 गैसों के गतिज सिद्धांत के विचारों में बड़ी मात्रा में ज्ञान और व्यावहारिक उपयोग की आवश्यकता होती है, और गैस सतहों के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती है, इसके अध्ययन के माध्यम से यह गैसों के गतिज सिद्धांत को ठोस अवस्था भौतिकी से जोड़ता है।[7]
द्रव की परिभाषा
तरल 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। तरल पदार्थ को तरल और गैस दोनों के रूप में परिभाषित किया जाता है क्योंकि तरल के अंदर के अणु ठोस में उपस्थित अणुओं की तुलना में बहुत अशक्त होते हैं। जब किसी द्रव के घनत्व को तरल के संदर्भ में संदर्भित किया जाता है, तो दाब बढ़ने पर तरल के घनत्व में छोटा प्रतिशत परिवर्तन होता है। यदि तरल पदार्थ को गैस के रूप में संदर्भित किया जाता है, तो गैसों के लिए स्थिति के समीकरण (P = ρRT) के कारण प्रयुक्त दाब की मात्रा के आधार पर घनत्व अधिक परिवर्तित हो जाता है। द्रवों के तरंग के अध्ययन में घनत्व में परिवर्तन का उल्लेख करते समय प्रयुक्त शब्द को असम्पीड्य तरंग कहा जाता है। गैसों के तरंग के अध्ययन में दाब बढ़ने के कारण होने वाली तीव्र वृद्धि को संपीड़ित तरंग कहा जाता है।[8]
वास्तविक गैसें
वास्तविक गैसों 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 गैसों द्वारा प्रदर्शित होते हैं क्योंकि तापमान बहुत अधिक होना प्रारंभ हो जाता है। महत्वपूर्ण बिंदु तब पहुँच जाता है जब आरेख का प्रवणता शून्य के समान होता है और तरल और वाष्प के मध्य द्रव की स्थिति को परिवर्तित हो देता है। आदर्श गैसों के गुणों में श्यानता, तापीय चालकता और प्रसार सम्मिलित हैं।[4]
श्यानता
गैसों की श्यानता गैस के प्रत्येक अणु के स्थानांतरण का परिणाम है क्योंकि वह एक परत से दूसरे परत तक निकलते हैं। जैसे-जैसे गैसें 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। अणु तब तक सक्रिय रहते हैं जब तक कि घर्षण के कारण दोनों अणु अपने वेग को समान नहीं कर देते है।[4]
तापीय चालकता
गैस की तापीय चालकता गैस की श्यानता के विश्लेषण के माध्यम से पाई जा सकती है, अतिरिक्त इसके कि अणु स्थिर हैं जबकि केवल गैसों का तापमान परिवर्तित हो रहा है। 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।[4]
प्रसार
गैसों का प्रसार गैसों की समान सांद्रता के साथ कॉन्फ़िगर किया गया है और जबकि गैसें स्थिर हैं। प्रसार दो गैसों के मध्य अशक्त सांद्रता प्रवणता के कारण दो गैसों के मध्य सांद्रता में परिवर्तन है। प्रसार समयावधि में द्रव्यमान का परिवहन है।[4]
शॉक तरंग
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 गैस अणुओं के औसत मुक्त पथ के समान है।[1] 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। 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।[9]
स्थिर सामान्य शॉक तरंग
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 गैस 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।[10]
सामान्य शॉक तरंगों का प्रारंभ
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 गैस के माध्यम से आता है। गतिशील सामान्य शॉक तरंग के माध्यम से आने वाली मूलभूत समस्या गतिहीन गैस 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। 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।[11]
घर्षण और संपीड़ित तरंग
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। 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।[12]
यह भी देखें
|
महत्वपूर्ण अवधारणाएँ |
इंटरेस्ट का प्रवाह |
प्रायोगिक तकनीकें
|
|
विज़ुअलाइज़ेशन विधियाँ |
कम्प्यूटेशनल तकनीक |
वायुगतिकीय |
संदर्भ
- Specific
- ↑ 1.0 1.1 Rathakrishnan, E. (2006). गैस गतिशीलता. Prentice Hall of India Pvt. Ltd. ISBN 81-203-0952-9.
- ↑ 2.0 2.1 Vincenti, Walter G.; Kruger, Charles H. Jr. (2002) [1965]. भौतिक गैस गतिशीलता का परिचय. Krieger publishing company. ISBN 0-88275-309-6.
- ↑ Einstein, A. (1905), "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen", Annalen der Physik, 17 (8): 549–560, Bibcode:1905AnP...322..549E, doi:10.1002/andp.19053220806
- ↑ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Turrell, George (1997). Gas Dynamics: Theory and Applications. J. Wiley.
- ↑ Alder, B. J.; T. E. Wainwright (1959). "Studies in Molecular Dynamics. I. General Method" (PDF). J. Chem. Phys. 31 (2): 459. Bibcode:1959JChPh..31..459A. doi:10.1063/1.1730376. S2CID 44487491.
- ↑ A. Rahman (1964). "Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon". Phys Rev. 136 (2A): A405-A411. Bibcode:1964PhRv..136..405R. doi:10.1103/PhysRev.136.A405.
- ↑ Cercignani, Carlo. Preface. Rarefied Gas Dynamics: from Basic Concepts to Actual Calculations. Cambridge UP, 2000. Xiii. Print.
- ↑ John, James Edward Albert., and Theo G. Keith. Gas Dynamics. Harlow: Prentice Hall, 2006. 1-2. Print
- ↑ Rathakrishnan, E. (2019). Applied Gas Dynamics, 2nd Edition. Wiley. ISBN 978-1-119-50039-1.
- ↑ John, James Edward Albert., and Theo G. Keith. Gas Dynamics. 3rd ed. Harlow: Prentice Hall, 2006. 107–149. Print.
- ↑ John, James Edward Albert., and Theo G. Keith. Gas Dynamics. 3rd ed. Harlow: Prentice Hall, 2006. 157–184. Print.
- ↑ John, James Edward Albert., and Theo G. Keith. Gas Dynamics. 3rd ed. Harlow: Prentice Hall, 2006. 283–336. Print.
- General
- Liepmann, Hans W.; Roshko, A. (2001) [1957]. Elements of Gasdynamics. Dover Publications. ISBN 0-486-41963-0.
- Anderson, John D. Jr. (January 2001) [1984]. Fundamentals of Aerodynamics (3rd ed.). McGraw-Hill Science/Engineering/Math. ISBN 0-07-237335-0.
- Shapiro, Ascher H. (1953). The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, Volume 1. Ronald Press. ISBN 978-0-471-06691-0.
- Zucker, Robert D.; Biblarz O. (July 2002). Fundamentals of Gas Dynamics. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-05967-6.
- Anderson, John D. Jr. (2000) [1989]. hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. AIAA. ISBN 1-56347-459-X.
