זורם

זורם (באנגלית: Fluid) הוא כל חומר העובר מעוות רציף (שינוי צורה מתמשך) תחת מאמץ גזירה.

זורם ימשיך לשנות את צורתו (מעוות רציף) בהפעלת מאמץ גזירה עליו, ושינוי צורה זה מתבטא בתנועת החומר ה"זרימה".
זאת לעומת מוצק, שיהיה נתון לשינוי צורה סופי (מעוות זוויתי קבוע) עם הפעלת מאמץ הגזירה, בהתאם למודול הגזירה שלו. (תמונה 1)

זורם יכול להיות נוזל, גז וגם מוצק כמו קרח וזכוכית,( אף שקצב הזרימה שלהם נמוך.)

תנועה מתמשכת בזורם, היא המהירות היחסית בין שכבות החומר שיוצרת רצף מתמשך (גרדיינט המהירות) ונוצר מאמץ גזירה בין השכבות כתוצאה מחיכוך בין שכבות הזורם בתנועתם היחסית.

הידרודינמיקה הוא המדע העוסק במכניקת הזורמים. תיאור התנהגותם של הזורמים כתת-תחום במכניקת הרצף. תרמודינמיקה עוסקת במעברי אנרגיה במהלך שינויי מצבי צבירה. הבחנה בין מוצק לנוזל נעשית בעזרת שימוש במספרים (כמו מספר דבורה) המבטאים יחסים בין משתנים. ובעיקר ביחסים בין נפח (V), לחץ (P) וטמפרטורה(T). כאשר הנפח קבוע, היחסים בין הטמפרטורה והלחץ קובעים את מצב הצבירה.

 כוחות הפועלים על זורם 
זורמים נבדלים ביניהם לפי חוק ניוטון לזרימה דינמית: (כאשר מתח פנים טאו) שווה למקדם הצמיגות ( מיו) כפול  העבודה (W) חלקי השינוי בשטח הפנים (dv\dy)).לפי התכונות הראולוגיות שלהם: הקשר בין מאמץ לכח המעוות (דפורמציה). התנהגותו של זורם ניוטוני כפופה ל"חוק הצמיגות של ניוטון", הקובע יחס ישר בין המאמץ לגרדיאנט המהירות כאשר מקדם היחס (הפרופורציה) נקרא צמיגות.
בזורם לא ניוטוני הקשר אינו ליניארי פשוט. הכוחות הבין המולקולריים (כוחות הקוהזיה) מעכבות את תנועת השכבות המהירות ומאיצות את תנועת השכבות האיטיות – זהו כוח הגזירה (Shear Stress) הפנימי המייצר את ההתנגדות לזרימה.ממוזער|257x257 פיקסלים|מתח הפנים של המים נצמד באדהזיה למהדק ומונע ממנו לשקוע.

 קוהזיה (Cohesion) 
הגדרה: קוהזיה היא הכוח הקושר בין מולקולות הנוזל. הכוחות בנוזלים הידרופילים הם כוחות בין-מולקולריים הנקראים כוחות ואן-דר-ואלס, המבוססים על משיכה הדדית בין מולקולרית של מטען חשמלי חיובי למטען שלילי. בנוזלים הידרופובים (כמו שמן) הכוחות הם בעיקר גישרי מימן וכוחות התלכיד (מיצלות)

מתח הפנים (Surface Tension): בנוזלים שלהם קוהזיה גבוהה ביחס לגז המשיק להם (כמו אוויר), נוצרת שכבה שמהווה ממברנה הנצמדת לנוזל. כאשר המגע עם מוצק הופך מתח הפנים לכוח משיכה בין המוצק לנוזל, הנקרא אדהזיה (תמונה 3).

 אדהזיה (Adhesion) – הידבקות לפני שטח של מוצק 
הגדרה: אדהזיה היא כוח המשיכה הפועל בין מולקולות שונות בדרך כלל בין נוזל לבין משטח מוצק (כגון דופן של צינור, זכוכית, או בד).

דוגמה: כאשר מים נשפכים על זכוכית, הם נצמדים אליה ומטפסים מעט בשולי הכלי; כאשר נוזל מרטיב משטח מכיוון שכוחות האדהזיה בין הנוזל למשטח חזקים מכוחות הקוהזיה שבין מולקולות הנוזל עצמו. חומרים המגדילים את האדהזיה נקראים חומר מתחלב, (אמולסיפייר) שיוצר שכבה דקה של הנוזל על המוצק הנוסחה הבאה מבטאת את כוח האדהזיה על-ידי מדידת מתח הפנים.

.. מתח פנים (gamma) שווה לעבודה (W) חלקי השינוי בשטח הפנים (Delta A).

כאשר הנוזל הוא מים, חומרים שבהם האדהזיה חזקה מהקוהזיה של המים נקראים הידרופיליים ( תמונה 4 משמאל.) וכאשר במגע עם מים  הקוהזיה שלהם חזקה מהאדהזיה  הם ההידרופוביים (תמונה 4 מימין)

 עליה נימית (קפילרית) 
שילוב של אדהזיה וקוהזיה הוא זה שקובע את גובה עליית (או ירידת) הנוזל בצינורית צרה, תופעה הנקראת פעולה נימית (Capillary Action). כוחות האדהזיה גורמים לנוזל להיצמד לדפנות, וכוחות הקוהזיה "מושכים" את שאר הנוזל למעלה. לפי הנוסחה:

 (כאשר h=גובה העלייה בצינורית, גמה=מתח הפנים COSQ=זווית המגע של הנוזל,pgr= מכפלת צפיפות, כח הכובד ורדיוס הצינור).
ממוזער|תגובה נימית (קפילרית). משמאל עליה כתוצאה מאדהזיה חזקה, מימין ירידה כאשר הקוהזיה חזקה מהאדהזיה.
עליה נימית: נוזל הנמצא בצינור, או מיכל מוצק, נצמד לדפנות הכלי בכח האדהזיה. בגבול המגע ייראה הנוזל קעור. זווית המגע קטנה (חורגת מפני הנוזל) היא מדגימה אדהזיה חזקה יותר. ככל שקוטר הצינור קטן יתר, שטח הפנים בינו ובין הנוזל גדול יותר, והנוזל יימשך להגדלת המגע במעלה הצינור, כח הקוהזיה גורם לרצף הנוזל בתוך הצינורית. מנגד משפיע משקל הנוזל שבצינור והלחץ האטמוספירי שסביבו.(תמונה 4)

 מעברים בין מצבי צבירה 
קיימים ארבעה מצבי צבירה: מוצק, נוזל, גז ופלזמה. ההבדל ביניהם הוא בצפיפות המולקולות של חומר הומוגני, בתנאי סביבה נתונים.

הגורמים הקובעים הם אנרגיה (חום), לחץ, וכח הקוהזיה. בהינתן שהלחץ קבוע, (לחץ אטמוספירי בגובה פני הים). תשפיע האנרגיה על התרופפות הקשר בין האטומים (או המולקולות) וככל שהקוהזיה חלשה יותר, כך המעבר מגוף דחוס (מוצק) לרופף (נוזל) וללא קשר (מולקולות בודדות) - לגז. פלזמה היא מצב של אטומים מיוננים, במצב גזי בטמפרטורה גבוהה (אלפי מעלות).

כאשר מפעילים לחץ על גז בנפח קבוע הוא ישחרר אנרגיה ויעבור למצב נוזל או מוצק. כאשר מפעילים לחץ שלילי (ואקום) על נוזל באותו נפח, הוא ישוב למצב גזי ויקלוט חום מהסביבה. זה העיקרון הבסיסי של מקררים ומזגנים.

מעבר מגז לנוזל נקרא עיבוי, מנוזל לגז נקרא איוד וממוצק לנוזל נקרא התכה.

הטמפרטורה שבה עובר חומר הומוגני ממצב צבירה אחד לשני נקראת טמפרטורה קריטית של החומר (תמונה 5).

 המראה 
המראה היא מצב שבו חומרים עוברים ממצב מוצק ישירות למצב גז,כמו CO2 (דו־תחמוצת הפחמן) והיסוד יוד. אבל בתנאי לחץ וטמפרטורה מוגדרים ניתן לקבל הנזלה גם של חומרים אלה. תנאים אלה נקראים התנאים הסופר קריטיים.(Supercritical state) כך ניתן לקבל הליום או מימן נוזלי, כאשר הלחץ גבוהה והטמפרטורה מתחת לטמפרטורה הקריטית.

 נוזל על-קריטי ((Supercritical Fluid) 
שמאל|ממוזער|250px|מעברי פזות של מים: ממוצק לנוזל ומנוזל לגז, בלחץ גבוה אפשר לקבל נוזל גם בטמפרטורות גבוהות, עד הנקודה הקריטית השלישית. 
בתורת התרמודינמיקה נעשה שימוש במונח . זורם סופר-קריטי מוגדר כמצב בו החומר מצוי מעל לנקודה הקריטית, במעבר בין פאזות נוזל-גז. הטמפרטורה הקריטית היא הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה גז יכול להתקיים כנוזל. מעל טמפרטורה זו, גם אם יוגבר הלחץ, החומר לא יכול להתעבות לנוזל והוא נשאר במצב של נוזל-על קריטי (Supercritical Fluid). הטמפרטורה הקריטית Tc והלחץ הקריטי Pc מגבילים אפשרות מעבר פזה. לכל חומר יש טמפרטורה ולחץ קריטיים.(תמונה 5)

 מאפיינים עיקריים 
במצב נוזל-על קריטי:

 צפיפות (Density): הצפיפות שלו דומה לזו של נוזל, והוא ממיס חומרים ביעילות גבוהה.
 צמיגות (Viscosity): הצמיגות שלו נמוכה, דומה לזו של גז, והוא זורם בקלות דרך חומרים נקבוביים (פורוזיביים) וחודר אליהם.
 אין מעבר פאזה: מעל הנקודה הקריטית, אין גבול ברור בין נוזל לגז. אם מגבירים את הלחץ על גז הוא יתעבה בהדרגה מבלי לעבור שינוי פאזה פתאומי.

מאפיינים אלו הופכים נוזלים סופר קריטיים שימושיים מאוד בתעשייה, במיוחד כחומרי מיצוי (כגון מיצוי קפאין מפולי קפה).

הזורם מצוי באזור ימני עליון בדיאגרמת פאזות.(תמונה 5)

+התנאים הקריטיים למעברי פזה בגזיםחומרנוסחהטמפרטורה קריטית (Tc)לחץ קריטי (Pc)דו־תחמוצת הפחמןCO2304.1 K (31.0∘C)7.38 MPa (72.9 atm)מימןH233.0 K (−240.2∘C)1.30 MPa (12.8 atm)הליוםHe5.2 K (−267.9∘C)0.23 MPa (2.26 atm)
כדי שהחומר ייחשב כנוזל-על קריטי, עליו להיות בטמפרטורה (מעלות קלווין K) גבוהה מ-Tc ובלחץ (באטמוספירות) נמוך מ - Pc.

הנוסחה הקובעת את הטמפרטורה הקריטית:  (נוסחת ואן-דר-וואלס)

R הוא קבוע הגזים האוניברסלי.

a הוא קבוע ואן דר ואלס שמייצג את כוחות המשיכה הבין-מולקולריים (כוחות הקוהזיה).

b הוא קבוע ואן דר ואלס שמייצג את הנפח שתופסות המולקולות עצמן.

 שימוש בנוזלים סופר קריטיים 
נוזלים סופר קריטיים משמשים להקפאה מהירה, להמסה, להולכה לחשמלית ובתעשייה גרעינית.

לחומרים כמו הליום ומימן, נדרשות טמפרטורות נמוכות מאוד (קריוגניות) כדי להגיע למצב הקריטי. דו־תחמוצת הפחמן, לעומת זאת, נדרשת טמפרטורה שקרובה לטמפרטורת החדר, ומשמש בתעשייה הכימית והמזון, למשל מיצוי קפאין מפולי קפה להכנת " קפה נטול קפאין " ולהפרדת חומרים שבתמיסות שאינם נמסים במים ובשמן. חנקן נוזלי משמש להקפאה מהירה בתעשיית המזון והרפואה. מימן נוזלי משמש להנעת רקטות, וחמצן נוזלי מאפשר שימוש רפואי בחמצן לזמן ארוך בנפח קטן.

 מוליכות על חשמלית 
נוזלים במצב סופר קריטי ניחנים לעיתים בכושר הולכת חשמל ללא התנגדות. הטמפרטורה הקריטית היא הטמפרטורה המקסימלית שמתחתיה חומר מסוים יכול לעבור למצב של מוליך-על (Superconductor). הליום נוזלי מוליך חשמל ללא התנגדות (מוליך על), ולכן ללא איבוד אנרגיה בהולכה, והוא משמש להולכה חשמלית במחשבי - על ובמכשירים בתעשיית החלל. לקוי תקשורת למרחקים גדולים.

ראו גם
 זורם ניוטוני
 זורם לא-ניוטוני

קישורים חיצוניים



 הערות שוליים 

קטגוריה:הידרודינמיקה
קטגוריה:מכניקה
קטגוריה:כימיה אורגנית
קטגוריה:תרמודינמיקה
קטגוריה:הידרולוגיה