સ્નિગ્ધતા (viscosity)

સ્નિગ્ધતા (viscosity) : તરલની પોતાની ગતિને અથવા તેમાં થઈને ગતિ કરતા પદાર્થની ગતિને નડતરરૂપ અવરોધ.

રેનોલ્ડ સંખ્યાથી ઓછું મૂલ્ય ધરાવતા પ્રવાહની સામે તરલ વડે દર્શાવાતો અવરોધ.

જ્યારે કોઈ સ્થિર સમક્ષિતિજ સપાટી ઉપર પ્રવાહી ધીમેથી અને એકધારું વહે ત્યારે એટલે કે પ્રવાહ ધારારેખી (streamline) હોય ત્યારે સ્થિર સપાટીના સંપર્કમાં હોય તેવું સ્તર સ્થિર હોય છે અને સ્થિર સપાટીથી ઉપર જતા સ્તરોનો વેગ વધતો જાય છે. જેમ સ્થિર સપાટીથી સ્તરનું અંતર વધારે તેમ તેનો વેગ વધુ હોય છે.

પ્રવાહ બે પ્રકારના હોય છે : (1) આદર્શ પ્રવાહ અને (2) વાસ્તવિક પ્રવાહ. પૃષ્ઠો વચ્ચેના ઘર્ષણને કારણે આ પ્રવાહો જુદા પડે છે. સ્તરીય પ્રવાહ (laminar flow) આદર્શ પ્રવાહીના પ્રવાહથી ખાસ કરીને રૂપાંતરિત ગતિને લીધે જુદો પડે છે. પ્રક્ષુબ્ધ (turbulent) પ્રવાહ સ્થિર હોતો નથી. અવકાશમાં કોઈ એક નિશ્ચિત બિંદુ આગળ વહેતા પ્રવાહીના નમન અને વેગ અસ્તવ્યસ્ત રીતે બદલાતા રહે છે.

વાયુ કે પ્રવાહીના અણુઓ વચ્ચે સંસિક્ત બળો(cohesional forces)ને લીધે ઉદભવતા અવરોધને આંતરિક ઘર્ષણબળ કહે છે. તરલની ગતિજ ઊર્જાનો આવા ઘર્ષણને કારણે વ્યય થતો હોય છે. પરિણામે તાપમાનમાં વધારો થાય છે.

સ્તરીય પ્રવાહમાં પ્રવાહીની નિશ્ચિત જાડાઈની એક ફિલ્મ બીજી ફિલ્મ ઉપર સરકે છે. આ બે સ્તરોનું ખાસ મિશ્રણ થતું નથી. એટલે કે બે સમાંતર પ્લેટની વચ્ચે એકબીજાની સાપેક્ષે પ્રવાહી ગતિ કરતું હોય છે.

એકબીજીની સાપેક્ષે ખસતી બે પ્લેટ્સ વચ્ચે સ્તરીય પ્રવાહમાં પ્રવાહીના સ્તરો

સમગ્ર પ્રવાહીમાં તે એક જ દિશામાં વહે છે; પણ વ્યક્તિગત સ્તરોનો વેગ જુદો જુદો હોય છે. સર્પણ ગતિ દરમિયાન ઘર્ષણ પેદા થાય છે અને પ્રવાહ દરમિયાન એકધારો વેગનો ઘટાડો થાય છે. પ્રક્ષુબ્ધ પ્રવાહમાં વેગનો ફેરફાર અનિયમિત રીતે થાય છે.

બે ક્રમિક સ્તરોના વેગનો તફાવત (du) અને આ સ્તરો વચ્ચેના અંતર(dx)ના ગુણોત્તરને વેગપ્રચલન (velocity gradient) કહે છે. સ્થાનની સાપેક્ષે વેગના આલેખને વેગ પરિચ્છેદિકા (profile) કહે છે. પરિચ્છેદિકાનું પ્રથમ વિકલન વેગપ્રચલન દર્શાવે છે.

ધારારેખી ગતિને અનુલક્ષીને સ્નિગ્ધ પ્રવાહ માટે ન્યૂટનનો સ્નિગ્ધતાનો નિયમ આ મુજબ અપાય છે :

 સ્નિગ્ધ બળ

જ્યાં F, A ક્ષેત્રફળ ધરાવતા પ્રવાહીના બે સમાંતર સ્તરો વચ્ચે પ્રવર્તતું સ્પર્શીય બળ છે. du એ dx અંતરે આવેલા બે સ્તરો વચ્ચે વેગનો તફાવત છે. η ને પ્રવાહીનો સ્નિગ્ધતા ગુણાંક (coefficient & viscosity) કહે છે.

તેનો એકમ કિગ્રા./મીટર·સેકન્ડ અથવા ન્યૂટન·સેકન્ડ/મીટર² છે. પ્રવાહીનું તાપમાન વધતાં સ્નિગ્ધતા ઘટે છે, પણ વાયુઓનું તાપમાન ઘટતાં સ્નિગ્ધતા વધે છે.

ઘણાંખરાં પ્રવાહી ન્યૂટનના નિયમનું પાલન કરે છે. જેમાં સ્નિગ્ધતા થી સ્વતંત્ર હોય છે. આ બધાને ન્યૂટોનિયન તરલ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

ગતિવાદને આધારે વાયુ માટે સ્નિગ્ધતા નીચેના સમીકરણથી અપાય છે :

જ્યાં r ઘનતા,  સરેરાશ વેગ અને L સરેરાશ મુક્તિપથ (mean free path) છે. અહીં ગુણાકાર rL દબાણથી સ્વતંત્ર હોઈ આ સિદ્ધાંત મુજબ વાયુની સ્નિગ્ધતા દબાણથી સ્વતંત્ર હોય છે, જે મેક્સવેલનો નિયમ છે. અતિ નિમ્ન દબાણે આ નિયમનો ભંગ થાય છે. તે સિવાય આ નિયમ ચકાસણીમાંથી પાર ઊતરે છે. અસરકારક સ્નિગ્ધતા દબાણને પ્રમાણસર હોય છે.

શીતલ આનંદ પટેલ