તરલ

તરલ (fluid) : સરળતાથી વહી શકે તેવો વાયુરૂપ કે પ્રવાહી પદાર્થ. થોડુંક જ બળ આપવાથી કે દબાણ કરવાથી તરલનું સ્વરૂપ ધારણ કરે છે. વળી તરલ સ્થિતિસ્થાપક હોવાથી, બળ કે દબાણ જેવું દૂર થાય કે તરત જ તે પોતાનું મૂળ સ્વરૂપ ધારણ કરે છે. સામાન્ય તાપમાને પાણી તરલ અને પ્રવાહી છે. હવા તરલ અને વાયુરૂપ છે. પ્રવાહી પોતાનું કદ અચળ જાળવી રાખવાનું વલણ ધરાવે છે; જ્યારે વાયુ જે પાત્રમાં ભરવામાં  આવે તેમાં, પ્રસરણ અથવા સંકોચન થવાથી વાયુના કદમાં તરત ફેરફાર થતો હોય છે.

વાયુ દબનીય (compressible) અને પ્રવાહી અદબનીય (incompressible) તરલ છે. સામાન્ય રીતે દબાણના ફેરફારથી પ્રવાહીની ઘનતા ઉપર અસર થતી નથી. વાસ્તવમાં એવું કોઈ પ્રવાહી નથી જે સંપૂર્ણપણે અદબનીય હોય; એટલે કે દરેક પ્રવાહી અમુક અંશે તો દબનીય હોય છે.

બાષ્પ (vapour) વાયુસ્વરૂપે હોઈ તરલ છે. સામાન્ય રીતે બાષ્પ અને પ્રવાહી અવસ્થામાં દબાણ અને તાપમાન વચ્ચે થોડોક જ તફાવત હોય છે. આ રીતે વરાળ એ બાષ્પ છે, કારણ કે તેનું સ્વરૂપ પ્રવાહીના સ્વરૂપની નજીક હોય છે.

વાયુ એ અતિતપ્ત (superheated) બાષ્પ છે અને તેનું સ્વરૂપ પ્રવાહી સ્વરૂપથી ઘણું દૂર છે. આ રીતે હવા વાયુસ્વરૂપ હોવાથી દબનીય હોય છે.

શ્યાનતા (viscosity) : વિરૂપણ (shear) અથવા કોણીય વિકૃતિ (angular deformation) પ્રતિ પ્રવર્તતા અવરોધક બળને શ્યાનતા કહે છે. શ્યાનતાની સ્પષ્ટતા અથવા નિર્દેશન માટે બે સમાંતર અને સમક્ષિતિજ તકતીઓ વચ્ચે તરલને રાખવામાં આવે છે. અહીં નીચેની તકતી સ્થિર હોય છે. જ્યારે ઉપરની તકતી અચળ વેગ u₀થી સમક્ષિતિજ દિશામાં ગતિ કરે છે. u₀ વેગથી ગતિ કરતી તકતીના સંપર્કમાં રહેલ સ્તર એટલા જ વેગથી ગતિ કરે છે. આ સ્તરથી નીચેના સ્તરનો વેગ શ્યાનતાને કારણે થોડોક ઓછો હોય છે. તે રીતે ગતિ કરતી તકતીથી અધોદિશામાં દૂર રહેલા સ્તરોનો વેગ ક્રમશ: ઘટતો જાય છે. અને સ્થિર તકતીના સંપર્કમાં રહેલા સ્તરનો વેગ શૂન્ય હોય છે.

ઘણાખરા તરલ માટે ઉપરની તકતીનો વેગ u₀ જાળવી રાખવા માટે બળ Fની જરૂર પડે છે, જે નીચેના સૂત્રથી અપાય છે :

જ્યાં A પ્રવાહીના સંપર્કમાં રહેલ તકતીની સપાટીનું ક્ષેત્રફળ છે; h, બે તકતીઓ વચ્ચે લંબ-અંતર છે અને μ પ્રશ્યાનતા ગુણાંક (co-efficient) છે. તાપમાન વધે કે ઘટે તેમ પ્રવાહીનો શ્યાનતાગુણાંક ઘટે કે વધે છે જ્યારે વાયુનો શ્યાનતાગુણાંક વધે કે ઘટે છે.

આદર્શ તરલ (ideal fluid) : અશ્યાન અને અદબનીય તરલને આદર્શ તરલ કહે છે. સંપૂર્ણ આદર્શ તરલ વ્યવહારમાં અસ્તિત્વ ધરાવતું નથી. વાસ્તવિક તરલપ્રવાહ હંમેશાં શ્યાનપ્રવાહ હોય છે. એટલે કે અશ્યાન તરલ ત્યારે જ આદર્શ હોઈ શકે છે જ્યારે તેમાં તરલ ઘર્ષણ (fluid friction) શૂન્ય હોય. આદર્શ તરલ પ્રવાહમાં કણ અલગ અલગ ધારારેખા (streamline) ઉપર ગતિ કરતા હોય છે. આવા કણોની ગતિ સમાન હોય છે. તરલઘર્ષણ ન હોય તો પ્રવાહ દરમિયાન કુલ ઊર્જા અચળ રહે છે. તરલ ઘર્ષણ અસ્તિત્વ ધરાવે તો કુલ ઊર્જા અચળ ન રહેતાં તેનો વ્યય થાય છે.

સ્તરીય પ્રવાહ (laminar flow) : સ્તરીય પ્રવાહ એક પ્રકારનો ધારરેખીય પ્રવાહ છે; કારણ કે તરલમાં બધા કણ અલગ અલગ રેખા ઉપર વહે છે. અહીં એક સ્તર બીજા સ્તર ઉપર સરકતો હોય છે. નળાકાર નળીમાં જે સ્તર દીવાલના સંપર્કમાં હોય તેનો વેગ શૂન્ય હોય છે અને નળીના અક્ષ (axis) ઉપર આવેલા સ્તરનો વેગ મહત્તમ હોય છે. આમ દીવાલથી અક્ષ તરફ જતાં સ્તરનો વેગ વધતો જાય છે.

નળીમાં સ્તરીય પ્રવાહ ત્યારે  જ શક્ય બને છે જ્યારે રેનોલ્ડ આંક નું મૂલ્ય 2000 કે  તેથી ઓછું હોય. અહીં ρ, તરલની ઘનતા; V, તરલનો વેગ; μ, તરલનો શ્યાનતા ગુણાંક અને D નળીનો વ્યાસ છે.

પ્રક્ષુબ્ધ પ્રવાહ (turbulent flow) : કણોનું વહન અલગ અલગ ધારારેખા ઉપર થતું ન હોય ત્યારે પ્રક્ષુબ્ધ પ્રવાહ રચાય છે. આવા પ્રવાહમાં કોઈ બે કણનો એક જ કે એકસરખો ગતિપથ મળતો નથી.

વેગ-પરિચ્છેદિકા (velocity profile) બતાવે છે કે કેન્દ્ર આગળ વેગ મહત્તમ છે; જ્યારે દીવાલ પાસે, કેન્દ્ર આગળના વેગ કરતાં તે લગભગ અર્ધો હોય છે.

લીસી નળી માટે પરિચ્છેદિકા સપાટ હોય છે. ધૂમ્રસેર(smoke plume)માં સ્તરીય અને પ્રક્ષુબ્ધ પ્રવાહ આકૃતિ (4)માં દર્શાવ્યા છે :

એકરૂપ પ્રવાહ (uniform flow) : કોઈ પણ ક્ષણે અવકાશના દરેક બિંદુ આગળ વેગનાં માન (magnitude) અને દિશા એક જ હોય તો તેવા પ્રવાહને એકરૂપ પ્રવાહ કહે છે.

પ્રવાહના માર્ગ ઉપર આડછેદનો આકાર અને કદ સમાન રહે તો એકરૂપ પ્રવાહ મળે છે. એકસરખા વ્યાસવાળી નળીમાં પ્રવાહ એકરૂપ હોય છે. ખુલ્લી નહેરમાં અલગ અલગ સ્થળે ધારારેખાનો આડછેદ સમાન કદ અને આકાર ધરાવે તો તે પ્રવાહ એકરૂપ ગણાય છે.

સ્થાયી પ્રવાહ (steady flow) : કોઈ પણ બિંદુ આગળ બધી જ પરિસ્થિતિ સમય સાથે અફર રહે તો તેવા પ્રવાહને સ્થાયી કહે છે.

પ્રવાહ સ્તરીય હોય તો જ સ્થાયી હોય છે. પ્રક્ષુબ્ધ પ્રવાહમાં દરેક બિંદુ આગળ વેગ અને દબાણમાં સતત ફેરફાર થતા હોય છે. વેગ અને દબાણમાં થતા વધારા અને ઘટાડા સરખા હોય અને અચળ રહે તો તેવા પ્રવાહને સરેરાશ સ્થાયી પ્રવાહ કહે છે.

સમય સાથે પરિસ્થિતિ(conditions)માં ફેરફાર થતો રહે તો પ્રવાહને અસ્થાયી કહે છે.

સમતાપી (isothermal) પ્રવાહ : તેમાં તરલનું તાપમાન અચળ રહે તે રીતે ઊર્જાનો ફેરફાર થતો હોય છે, જ્યારે સમોષ્મી (adiabatic) પ્રવાહમાં તરલ સાથે ઉષ્માનો વિનિમય થતો નથી. તેથી ઉષ્માનો જથ્થો અચળ રહે છે.

ચક્રીય અને અચક્રીય પ્રવાહ (rotational and irrotational flow) : સ્થિર અવલોકનકારને તરલના સૂક્ષ્મકણ અક્ષની આસપાસ પરિભ્રમણ કરતા દેખાય તો પ્રવાહ ચક્રીય કહેવાય છે; જેમ કે, તરલમાં પેદા થતું વમળ (vortex). તેમાં પ્રવાહી એક ઘન પદાર્થની જેમ  ભ્રમણ કરે છે. નળાકાર પાત્રમાં પ્રવાહી ભરીને તેને અક્ષની આસપાસ ભ્રમણ કરાવવાથી ચક્રીય પ્રવાહ જોવા મળે છે.

દરેક કણ અથવા પ્રવાહનો સૂક્ષ્મ ઘટક જો પોતાની મૂળ દિકસ્થિતિ (orientation) જાળવી રાખે તો તેવા પ્રવાહને અચક્રીય પ્રવાહ કહે છે. અપકેન્દ્રિત (centrifugal) પમ્પના પ્રણોદક(impeller)ને છોડી દેતા પ્રવાહનું ભ્રમણ ચક્રવાત(tornado)માં હવાનું ભ્રમણ તેમજ નીક આગળ પ્રવેશ કરતા પાણીનું ભ્રમણ આવો પ્રવાહ રચે છે.

આશા પ્ર. પટેલ