تعريف الموائع وخصائصها

كتابة اسراء حرب آخر تحديث: 17 أكتوبر 2020 , 22:00

ماهي الموائع

  • توجد المادة بشكل شائع كمادة صلبة، أو سائلة أو غازية؛ تُعرف هذه الحالات بالمراحل الثلاثة الشائعة للمادة.
  • المواد الصلبة لها شكل محدد وحجم محدد، والسوائل لها حجم محدد؛ ولكن شكلها يتغير حسب الحاوية التي يتم الاحتفاظ بها، ولا يكون للغازات شكل محدد ولا حجم محدد حيث تتحرك جزيئاتها لملء الحاوية التي بها.
  • تعتبر السوائل والغازات موائع لأنّها تخضع لقوى التشكل، بعكس المواد الصلبة.
  • المائع هو أي مادة تتدفق أو تتشكل حسب الفرغ الموجودة فيه؛ وتشتمل الموائع على مجموعة فرعية من حالات المادة وتشمل السوائل والغازات والبلازما.
  • ومن الأمثلة على الموائع، جميع السوائل والغازات من هواء، أو ماء، أو زيت، وغيرها. [1]

خواص الموائع

يشمل مصطلح المائع كلاً من السائل والغازات، والفرق الرئيسي بين السائل والغاز هو أنّ حجم السائل يظل محددًا؛ لأنه يأخذ شكل السطح عليه، أو الذي يتلامس فيه؛ بينما يشغل الغاز المساحة الكاملة المتاحة في الحاوية التي يكون فيها أبقى.

أهم خواص الموائع:

كثافة الكتلة

هي كتلة السائل لكل وحدة حجم، والوحدة كجم لكل متر مكعب.

الوزن النوعي

هو الوزن لكل وحدة حجم للسائل، وتعتمد هذه الكمية على قوة الجاذبية في المكان الذي يحتفظ فيه المائع، والوحدات الخاصة بها هي نيوتن لكل متر مكعب.

الحجم النوعي

هو الحجم الذي تشغله وحدة كتلة السائل، ووحدته متر مكعب لكل كيلوجرام.

الكثافة النسبية أو الثقل النوعي

يتم تعريفها على أنّها نسبة كثافة كتلة المائع المعني، وكثافة كتلة الماء عند الضغط القياسي، ودرجة الحرارة، أي 4 درجات مئوية والضغط الجوي.

اللزوجة

اللزوجة هي خاصية المائع التي تحدد التفاعل بين الجزيئات المتحركة للمائع، إنّه مقياس مقاومة تدفق السوائل.

عود القوة اللزجة إلى القوى بين الجزيئات التي تعمل في السائل، ويختلف تدفق أو معدل تغير الموائع تحت إجهاد القص باختلاف السوائل بسبب الاختلاف في اللزوجة، فالسوائل ذات اللزوجة العالية تتشكل ببطء.

قابلية الانضغاط

عندما يتم تطبيق الضغط على مائع ما، يتناقص حجمه، وتسمى خاصية المائع هذه بالانضغاطية.

المرونة

عندما يتم تحرير القوة التي تولد الضغط على السائل، فإنّها تعود إلى حجمها الأصلي، تسمى خاصية المائع هذه مرونة السائل.

ضغط البخار

تتسرب جزيئات المائع من سطحه لملء الفراغ فوق سطح المائع، والوعاء حتى يصل الضغط الناتج عن هذه الجزيئات فوق سطح المائع إلى ضغط بخار المائع.

التوتر السطحي

هي الجزيئات الموجودة على سطح السائل مثلًا، أي السطح البيني بين السائل والهواء مرتبطة ببعضها البعض بقوة أسبوع تسمى التوتر السطحي.

هذه القوة تجعل السائل يشكل طبقة وتحدث بسبب قوة التماسك بين جزيئات السائل. [2]

تصنيف الموائع

هناك العديد من المعايير التي يتم اتباعها عند تصنيف سلوك الموائع إلى مجموعات:

موائع مثالية

السوائل المثالية لها الخصائص التالية.

  • أنّها غير قابلة للضغط.
  • لديها لزوجة صفرية.
  • تكون قوة القص صفرًا عندما يكون المائع في حالة حركة، أي لا توجد مقاومة لحركة أي جسيمات مائع.

موائع حقيقية أو عملية

ومن أهم خواصها أنّها:

  1. قابلة للضغط.
  2. لزجة في الطبيعة.
  3. يتم تقديم بعض المقاومة دائمًا بواسطة المائع عندما يكون في حالة حركة.
  4. يوجد إجهاد القص دائمًا في مثل هذه الموائع.

الموائع النيوتونية

  • في هذا التصنيف من الموائع النيوتونية توجد علاقة خطية بين مقادير إجهاد القص τ، ومعدل الانسياب الناتج (du / dy)؛ أي أن ثابت التناسب μ لا يتغير مع معدل الانسياب.
  • ومن الأمثلة على ذلك: ماء، كيروسين.
  • تكون اللزوجة عند أي درجة حرارة وضغط ثابتين للمائع النيوتوني وهي مستقلة عن معدل التشكل.

الموائع غير النيوتونية

في الموائع غير النيوتونية، توجد علاقة غير خطية بين حجم إجهاد القص المطبق ومعدل الانسياب؛ وسوف تختلف اللزوجة باختلاف معدل الانسياب؛ فهي لا تنطبق على قانون اللزوجة لنيوتن. [3]

الموائع الساكنة

  • هي فرع ميكانيكا الموائع التي تدرس الموائع غير القابلة للضغط أثناء الراحة، وهذا يشمل دراسة الظروف التي تكون فيها الموائع في حالة راحة، وفي حالة توازن مستقر على عكس دراسة الموائع المتحركة.
  • إنّ الجسيمات التي تتكون منها المادة ليست مرتبطة بقوة ببعضها البعض في شبكة ثابتة، وهذا يشمل حالات المادة السائلة والغازية وحتى البلازما. [4]
  • تسمى السوائل والغازات مجتمعة بالموائع، وتختلف عن المواد الصلبة في استجابتها للقوة المطبقة على السطح، وتسمى أيضًا قوة القص.
  • تتدفق هذه الموائع عندما يتم تطبيق قوة القص عليها، لكن المواد الصلبة لا تتدفق.

الموائع المتحركة

هنا يتحرك السائل وتميل إلى الاهتمام بأشياء مثل الضغط في أماكن مختلفة بسبب الحركة، أو قد ترغب في معرفة التسارع في السائل في مكان ما في مجال التدفق، بعكس الموائع الساكنة، يكون السائل ثابتًا، ولا يتحرك. [5]

تعريف الموائع المتحركة

هي فرع العلوم التطبيقية الذي يهتم بحركة السوائل والغازات، وهي أحد فرعين لميكانيكا الموائع، وهما دراسة الموائع وكيفية تأثير القوى عليها.

توفر الموائع المتحركة طرقًا لدراسة تطور النجوم، وتيارات المحيطات، وأنماط الطقس، وتكتونية الصفائح وحتى الدورة الدموية.

تتضمن بعض التطبيقات التكنولوجية الهامة للموائع المتحركة المحركات الصاروخية، وتوربينات الرياح، وأنابيب النفط، وأنظمة تكييف الهواء. [6]

مفهوم تدفق المائع

يشار إلى حركة السوائل والغازات عمومًا باسم “التدفق”، وهو مفهوم يصف كيفية تصرف السوائل وكيفية تفاعلها مع البيئة المحيطة بها؛ على سبيل المثال، حركة الماء عبر قناة أو أنبوب، أو فوق سطح.

  • يمكن أن يكون التدفق ثابتًا أو غير مستقر:

إذا كانت جميع خصائص التدفق مستقلة عن الوقت، فإنّ التدفق يكون ثابت، وإلا فهو غير مستقر.

أي أنّ التدفقات الثابتة لا تتغير بمرور الوقت، ومثال على التدفق الثابت هو تدفق المياه عبر الأنبوب بمعدل ثابت؛ من ناحية أخرى، فإن الفيضان أو الماء المتدفق من مضخة يدوية قديمة هي أمثلة على التدفق غير المستقر.

  • كما ويمكن أن يكون التدفق أيضًا صفحيًا أو مضطربًا:

التدفقات الصفحية أكثر سلاسة، بينما تكون التدفقات المضطربة أكثر فوضوية، وأحد العوامل المهمة في تحديد حالة تدفق المائع هو لزوجته، أو سمكه، حيث تزيد اللزوجة الأعلى من ميل التدفق ليكون رقائقيًا.

من خلال التدفق الصفحي، فإننا نشير عمومًا إلى تدفق سلس وثابت حركة السوائل، والتي يتم فيها إخماد أي اضطرابات مستحثة بسبب قوى اللزوجة القوية نسبيًا؛ بينما في التدفقات المضطربة، قد تعمل قوى أخرى على عكس عمل اللزوجة.

يعد التدفق الرقائقي مرغوبًا في العديد من المواقف، مثل أنظمة الصرف الصحي أو أجنحة الطائرات، لأنه أكثر كفاءة ويتم فقدان طاقة أقل.

ولكن يمكن أن يكون التدفق المضطرب مفيدًا في التسبب في اختلاط السوائل المختلفة معًا أو لمعادلة درجة الحرارة؛ ومع ذلك، يمكن أن يكون من الصعب للغاية التنبؤ بالتفصيل مثل هذه التدفقات، والتمييز بين هذين النوعين من التدفق أمر بديهي إلى حد كبير.

عوامل تحديد التدفق

عامل مهم في تدفق السوائل هو رقم رينولدز (Re)، والذي سمي على اسم عالم القرن التاسع عشر أوزبورن رينولدز، على الرغم من أنّه تم وصفه لأول مرة في عام 1851 من قبل الفيزيائي جورج غابرييل ستوكس.

يعطي ماكدونو تعريف Re كـنسبة القصور الذاتي إلى القوى اللزجة، وقوة القصور الذاتي هي مقاومة المائع لتغيير الحركة، والقوة اللزجة هي مقدار الاحتكاك الناتج عن لزوجة أو سمك السائل.

إنّ Re ليس فقط خاصية للسائل؛ كما يتضمن شروط انسيابها مثل سرعته وحجم وشكل القناة أو أي عوائق. [6]

زر الذهاب إلى الأعلى
إغلاق