Газ кинетикасы - Gas kinetics

Газ кинетикасы тармағында ғылым болып табылады сұйықтық динамикасы, газдардың қозғалысын және оның әсерін зерттеумен айналысады физикалық жүйелер. Принциптеріне сүйене отырып сұйықтық механикасы және термодинамика, газ динамикасы газ ағындарын зерттеу нәтижесінде пайда болады трансондық және дыбыстан жоғары ұшу. Сұйықтық динамикасында өзін басқа ғылымдардан ажырату үшін газ динамикасын зерттеу көбінесе айналасында немесе ішіндегі газдармен анықталады. физикалық нысандар салыстыруға болатын немесе одан асатын жылдамдықтарда дыбыс жылдамдығы және айтарлықтай өзгерісті тудырады температура және қысым.[1] Осы зерттеулердің кейбір мысалдарына мыналар кіреді, бірақ олармен шектелмейді: тұншыққан ағындар жылы саптамалар және клапандар, соққы толқындары айналасында реактивті ұшақтар, аэродинамикалық жылыту қосулы атмосфералық қайта кіретін көліктер және газ отынының ағындары ішінде реактивті қозғалтқыш. At молекулалық деңгей, газ динамикасы газдардың кинетикалық теориясы, көбінесе зерттеуге әкеледі газ диффузиясы, статистикалық механика, химиялық термодинамика және тепе-теңдік емес термодинамика.[2] Газ динамикасы синоним болып табылады аэродинамика газ кен орны болған кезде ауа және зерттеу пәні болып табылады ұшу. Бұл дизайн кезінде өте маңызды ұшақ және ғарыш кемесі және олардың сәйкесінше қозғаушы жүйелер.

Тарих

Газ динамикасындағы прогресс трансондық және дыбыстан жоғары ұшулардың дамуымен сәйкес келеді. Ұшақ жылдам жүре бастағанда, ауа тығыздығы өзгере бастады, ауа жылдамдығы жақындаған сайын ауа қарсылығын едәуір арттырды дыбыс жылдамдығы. Кейін бұл құбылыс анықталды жел туннелі ретінде эксперименттер әсер ұшақтың айналасында соққы толқындарының пайда болуынан туындаған. Кезіндегі және кейінгі мінез-құлықты сипаттау үшін үлкен жетістіктерге қол жеткізілді Екінші дүниежүзілік соғыс және жаңа түсініктер сығылатын және жоғары жылдамдықты ағындар газ динамикасының теориялары болды.

Газдар ішіндегі кішігірім бөлшектер болатын конструкция ретінде Броундық қозғалыс кеңінен қабылданды және оны растайтын көптеген сандық зерттеулер болды макроскопиялық газдардың температура, қысым және сияқты қасиеттері тығыздық, қозғалатын бөлшектердің соқтығысуының нәтижесі болып табылады,[3] газдардың кинетикалық теориясын зерттеу барған сайын газ динамикасының интеграцияланған бөлігіне айналды. Газ динамикасы туралы заманауи кітаптар мен сабақтар көбінесе кинетикалық теорияны енгізуден басталды.[2][4] Келуі молекулалық модельдеу жылы компьютерлік модельдеу әрі қарай кинетикалық теорияны газ динамикасы бойынша зерттеулердің маңызды тақырыбы етті.[5][6]

Кіріспе терминология

Газ динамикасы - бұл газдың екі молекуласы арасындағы қашықтықтағы орташа мәнге шолу, бұл молекулалар қамтылған құрылымды елемей, соқтығысқан. Өріс газдардың кинетикалық теориясының идеялары үшін үлкен білім мен практикалық қолдануды қажет етеді және газдардың кинетикалық теориясын қатты денелер физикасымен байланыстырады, бұл газдардың беттермен әрекеттесуін зерттейді.[7]

Сұйықтықтың анықтамасы

Сұйықтар дегеніміз - үлкен мөлшерде стресс кезінде тұрақты өзгермейтін заттар. Қатты дене қатты күйзеліс жағдайында тепе-теңдікте қалу үшін деформацияға бейім. Сұйықтар сұйықтар да, газдар ретінде де анықталады, өйткені сұйықтық ішіндегі молекулалар қатты дененің құрамындағы молекулаларға қарағанда әлдеқайда әлсіз. Сұйықтықтың тығыздығы туралы сұйықтық туралы айтқан кезде, қысымның жоғарылауына байланысты сұйықтықтың тығыздығына өзгерістің аз пайызы бар. Егер сұйықтықты газ деп атайтын болса, онда тығыздық газдар үшін күй теңдеуіне байланысты қолданылатын қысымның мөлшеріне байланысты қатты өзгереді (p = ρRT). Сұйықтардың ағынын зерттеу кезінде тығыздықтың шамалы өзгеруіне қатысты қолданылатын термин сығылмайтын ағын деп аталады. Газдар ағынын зерттеу кезінде қысымның жоғарылауынан тез өсуді сығылатын ағын деп атайды.[8]

Нақты газдар

Сыни нүкте.

Нақты газдар теңдеулерде олардың сығылғыштығымен (z) сипатталады PV = zn0RT. Қысым болған кезде P дыбыстың функциясы ретінде орнатылған V мұндағы қатар белгіленген температуралармен анықталады Т, P, және V температура өте жоғары бола бастаған кезде идеал газдармен көрсетілетін гиперболалық қатынастарды қабылдай бастады. Графиктің көлбеуі нөлге тең болған кезде және сұйықтық пен будың арасындағы сұйықтық күйін өзгерткенде критикалық нүктеге жетеді. Идеал газдардың қасиеттері тұтқырлықты, жылу өткізгіштік және диффузия.[4]

Тұтқырлық

Газдардың тұтқырлығы - бұл газдың әр молекуласының бір-бірінен қабаттан қабатқа өту кезінде ауысуының нәтижесі. Газдар бір-бірінен өтуге бейім болғандықтан, жылдам қозғалатын молекуланың импульс түріндегі жылдамдығы баяу қозғалатын молекуланы жылдамдатады. Баяу қозғалатын молекула жылдам қозғалатын молекуладан өтіп бара жатқанда, баяу қозғалатын бөлшектің импульсі жылдам қозғалатын бөлшекті баяулатады. Молекулалар үйкеліс күші екі молекуланың жылдамдықтарын теңестіруге әкеп соқтырғанға дейін әрекет ете береді.[4]

Жылу өткізгіштік

Газдың жылу өткізгіштік коэффициентін газдың тұтқырлығын талдау арқылы табуға болады, тек молекулалар қозғалмайды, тек газдардың температурасы өзгереді. Жылуөткізгіштік дегеніміз белгілі бір уақыт аралығында белгілі бір аймақ бойынша тасымалданатын жылу мөлшері. Жылу өткізгіштік әрдайым температура градиентінің бағытына қарама-қарсы ағып отырады.[4]

Диффузия

Газдардың диффузиясы газдардың бірқалыпты концентрациясымен және газдар стационарлық күйде конфигурацияланған. Диффузия - екі газ арасындағы концентрацияның әлсіз концентрация градиентіне байланысты өзгеруі. Диффузия - белгілі бір уақыт аралығында массаның тасымалдануы.[4]

Шок толқындары

Соққы толқыны дыбыстан жоғары ағын өрісіндегі қысу фронты ретінде сипатталуы мүмкін, ал алдыңғы жағындағы ағын процесі сұйықтық қасиеттерінің күрт өзгеруіне әкеледі. Соққы толқынының қалыңдығы ағын өрісіндегі газ молекулаларының орташа еркін жүруімен салыстыруға болады.[1] Басқаша айтқанда, шок дегеніміз - температура, қысым және жылдамдықтағы үлкен градиенттер пайда болатын, импульс пен энергияның тасымалдау құбылыстары маңызды болатын жұқа аймақ. Қалыпты соққы толқыны ағын бағытына қалыпты сығымдау фронты болып табылады. Алайда, әртүрлі физикалық жағдайларда ағынға бұрышпен қисайған қысу толқыны пайда болады. Мұндай толқын қиғаш соққы деп аталады. Шынында да, сыртқы ағындардағы барлық табиғи соққылар қиғаш болып табылады.[9]

Стационарлық қалыпты соққы толқындары

Стационарлық қалыпты соққы толқыны ағын бағытының қалыпты бағыты бойынша жүреді деп жіктеледі. Мысалы, поршень түтік ішінде тұрақты жылдамдықпен қозғалғанда, түтік бойымен таралатын дыбыс толқындары пайда болады. Поршень қозғалысын жалғастыра отырып, толқын біріге бастайды және түтік ішіндегі газды қысады. Қалыпты соққы толқындарымен қатар жүретін әр түрлі есептеулер олардағы түтіктердің көлеміне байланысты әр түрлі болуы мүмкін. Айырылатын аймақтары бар саңылаулар мен түтіктер сияқты ауытқулар көлем, қысым және Mach саны сияқты есептеулерге әсер етуі мүмкін.[10]

Қалыпты соққы толқындарының қозғалысы

Стационарлық қалыпты соққылардан айырмашылығы, қозғалатын қалыпты соққылар физикалық жағдайларда жиі кездеседі. Мысалы, атмосфераға кіретін доғал зат қозғалмайтын газдың ортасында болатын соққыға тап болады. Қозғалыстағы қалыпты соққылардан туындайтын негізгі проблема - бұл қозғалыссыз газдар арқылы пайда болатын қалыпты соққылар кезі. Қозғалыстағы соққы толқындарының көзқарасы оны қозғалатын немесе қозғалмайтын соққы толқыны ретінде сипаттайды. Атмосфераға түсетін зат мысалында соққы толқынының қарама-қарсы бағытында қозғалатын затты бейнелейді, нәтижесінде қозғалатын соққы толқыны пайда болады, бірақ егер ол ғарышқа соққы толқынының үстімен ұшып бара жатса, ол қозғалмайтын соққы толқыны болып көрінеді. . Қозғалмалы және қозғалмайтын соққы толқындарының жылдамдығы мен соққы коэффициенттерімен байланыстарын және салыстыруларын кең формулалар арқылы есептеуге болады.[11]

Үйкеліс және қысылатын ағын

Үйкеліс күштері арналардағы қысылатын ағынның ағындық қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады. Есептеулерде үйкеліс не инклюзивті, не эксклюзивті ретінде қабылданады. Егер үйкеліс инклюзивті болса, онда қысылатын ағынды талдау үйкеліс инклюзивті емес сияқты күрделі болады. Егер үйкеліс тек анализге ғана қатысты болса, онда белгілі бір шектеулер қойылады. Үйкелісті қысылатын ағынға қосқанда, үйкеліс талдау нәтижелері қолданылатын аймақтарды шектейді. Бұрын айтылғандай, құбырдың әр түрлі өлшемдері немесе саптамалары сияқты пішіні үйкеліс пен сығылатын ағын арасындағы әр түрлі есептеулерге әсер етеді.[12]

Сондай-ақ қараңыз

Маңызды ұғымдар

Қызығушылық ағындары

Эксперименттік әдістер

Көрнекілік әдістері

Есептеу техникасы

Аэродинамика

Әдебиеттер тізімі

Ерекше
  1. ^ а б Ратхакришнан, Э. (2006). Газ динамикасы. Prentice Hall of India Pvt. Ltd. ISBN  81-203-0952-9.
  2. ^ а б Винценти, Вальтер Дж.; Крюгер, кіші Чарльз Х. (2002) [1965]. Физикалық газ динамикасына кіріспе. Krieger баспа компаниясы. ISBN  0-88275-309-6.
  3. ^ Эйнштейн, А. (1905), «Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen» (PDF), Аннален дер Физик, 17 (8): 549–560, Бибкод:1905AnP ... 322..549E, дои:10.1002 / және б.19053220806, мұрағатталған түпнұсқа (PDF) 2005-04-10
  4. ^ а б c г. e Туррелл, Джордж (1997). Газ динамикасы: теориясы және қолданылуы. Дж. Уили.
  5. ^ Алдер, Б. Дж .; Т.Э. Уайнрайт (1959). «Молекулалық динамикадағы зерттеулер. I. Жалпы әдіс» (PDF). Дж.Хем. Физ. 31 (2): 459. Бибкод:1959JChPh..31..459A. дои:10.1063/1.1730376.
  6. ^ Рахман (1964). «Сұйық аргондағы атомдар қозғалысының корреляциясы». Phys Rev. 136 (2A): A405-A411. Бибкод:1964PhRv..136..405R. дои:10.1103 / PhysRev.136.A405.
  7. ^ Серцигани, Карло. Кіріспе сөз. Сирек газ динамикасы: негізгі түсініктерден нақты есептеулерге дейін. Кембридж UP, 2000. Xiii. Басып шығару.
  8. ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт және Тео Г.Кит. Газ динамикасы. Харлоу: Прентис Холл, 2006. 1-2. Басып шығару
  9. ^ Ратхакришнан, Э. (2019). Қолданбалы газ динамикасы, 2-ші шығарылым. Вили. ISBN  978-1-119-50039-1.
  10. ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт және Тео Г.Кит. Газ динамикасы. 3-ші басылым Харлоу: Прентис Холл, 2006. 107–149. Басып шығару.
  11. ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт және Тео Г.Кит. Газ динамикасы. 3-ші басылым Харлоу: Прентис Холл, 2006. 157–184. Басып шығару.
  12. ^ Джон, Джеймс Эдвард Альберт және Тео Г.Кит. Газ динамикасы. 3-ші басылым Харлоу: Прентис Холл, 2006. 283–336. Басып шығару.
Жалпы

Сыртқы сілтемелер