ของไหลคืออะไร

ของไหลโดยทั่วไปจะหมายถึงสสารที่ไม่สามารถคงรูปอย่างถาวรด้วยตัวของมันเอง แต่จะมีรูปร่างได้ภายในภาชนะหรือสิ่งที่บรรจุอยู่ เช่นสสารในสถานะของเหลวและก๊าซ

ระบบของหน่วยที่ใช้ในกลศาสตร์ของไหล 

ระบบของหน่วย   
ระบบของหน่วยที่ใช้ในกลศาสตร์ของไหล :

สมบัติของของเหลวและลักษณะของความดันของของเหลว

สมบัติของของเหลว
      1.  ของเหลวเป็นสสารที่สามารถไหลไปมาได้ เนื่องจากโมเลกุลของของเหลวสามารถเคลื่อนที่ได้อิสระภายในขอบเขตของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล
      2.  ของเหลวเป็นสิ่งที่ทนต่อการอัด คือ ปริมาตรของเหลวจะเปลี่ยนแปลงน้อยมากเมื่อได้รับแรงดัน
      3.   ทุกๆ จุดในของเหลวจะได้รับแรงดันจากทุกทิศทาง
      4.   ถ้าออกแรงดันต่อของเหลวที่อยู่ในภาชนะปิด แรงดันที่ของเหลวได้รับจะถูกส่งต่อไปยังทุกๆจุดในของเหลว
      5.   ที่ผิวของของเหลวจะมีแรงๆ หนึ่งที่จะช่วยยึดผิวของของเหลวไว้ไม่ให้ขาดจากกัน แรงนี้มีชื่อว่า แรงตึงผิว
      6.  จะมีแรงต้านภายในเนื้อของของเหลวต่อวัตถุที่เคลื่อนที่ผ่าน แรงนี้มีชื่อเรียกว่า แรงหนืด

ลักษณะของความดันของของเหลว 
     1.  ทุกๆ  จุดในของเหลวจะมีแรงดันจากทุกทิศทาง เช่นขณะที่เราดำน้ำอยู่จะรู้สึกว่ามีแรงที่น้ำกระทำต่อตัวเรา และไม่ว่าเราจะเอียงศรีษะไปด้านไหนก็ตาม เราจะมีความรู้สึกว่าที่หูได้รับเเรงดันตลอดเวลาซึ่งเเสดงให้เห็นว่าเราได้รับเเรงดันของน้ำจากทุกทิศทาง
     2. ความดันของของเหลวขึ้นอยู่กับความลึกเเละความหนาเเน่นของของเหลว โดยไม่ขึ้นกับปริมาตรของของเหลว ที่ระดับความลึกเดียวกันจะได้รับเเรงดันจากของเหลวเท่ากันในทุกทิศทาง 
     3. ภาชนะที่มีของเหลวบรรจุออยู่จะได้รับแรงดันจากของเหลวกระทำต่อผนังภาชนะในแนวตั้งฉากกับผนังภาชนะ เช่น สังเกตน้ำที่พุ่งออกมาจากรอยรั่วของถังน้ำ แสดงถึงว่าจะต้องมีแรงดันของน้ำกระทำต่อพื้นที่ด้านข้างถัง และแรงดันนี้จะดันให้น้ำพุ่งออกมาตามรอยรั่วได้

ความดันของของเหลวที่เกิดจากน้ำหนักของของเหลว

พิจารณาแรงกระทำของของเหลวที่กระทำต่อก้นภาชนะในรูป  (a)  หรือที่กระทำต่อพื้นที่สมมติ  A ในรูป (b) แรงกระทำที่เห็นได้ชัดคือ  แรงเนื่องจากน้ำหนักของลำของเหลวที่อยู่เหนือพื้นที่   A  นั้น  ถ้ากำหนดให้น้ำหนักของลำของเหลวเหนือพื้นที่  A เท่ากับ  W  ความดันอันเนื่องจากน้ำหนักลำของเหลวจะเขียนได้ดังนี้

                    รูปความดันเนื่องจากความสูงของของไหล

                      จากรูป           แรงขึ้น  =  แรงลง

                      แทนค่า            PA     =   W         …………………… (1)

               ถ้าให้ของเหลวมีความหนาแน่น  =    r                         

            ลำของเหลวมีปริมาตร      V       =   Ah

                    มวลของของเหลว  (m)    =  rAh

                   น้ำหนักของลำของ  (W)    =  mg  

                                                  =  rAhg

          แทนค่า (W) ใน (1)        PA   =    rAhg

                                              P   =     rgh

นั้นคือ  ความดันของของเหลว   ณ  จุดใดๆ  จะแปรผันตามความลึกของของเหลว 

ความดันเกจและความดันสมบูรณ์ของของเหลว

               1. ความดันสมบูรณ์ของของเหลว ณ จุดใดๆ ย่อมมีค่าเท่ากับผลรวมของความดันอากาศกับความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวที่จุดนั้น

         ถ้ากำหนดให้         PW    =   ความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลว

                                 Pa    =   ความดันบรรยากาศที่ผิวหน้าของของเหลว

                                  P    =   ความดันสมบูรณ์ของของเหลว

                  จะได้ว่า        P   =      Pa +  PW

                  หรือ             P  =      Pa +  ρgh 

              2. ความดันเกจ     ( PG )   หมายถึง   ความดันที่เกิดจากน้ำหนักของของเหลว    หรือหมายถึงความดันที่เป็นผลต่างของความดันสมบูรณ์ของของเหลวที่ตำแหน่งนั้นกับความดันอากาศปกติ

               ถ้ากำหนดให้    PG  =  ความดันเกจ 
                                  
                                   P   =  ความดันสมบูรณ์
                                
                                 Pa   =   ความดันบรรยากาศ     
                         
                   จะได้ว่า   PG     =     ρgh     =   P - Pa

ข้อสังเกต !       1.  ความดันเกจ  (PG)  ณ  จุดใดๆ  คือ   ความดันที่ไม่คิดความดันบรรยากาศ ส่วนใหญ่คือค่าที่อ่านได้จากมาตรวัดความดัน

                      2.  ความดันสมบูรณ์  (P)   ณ  จุดใดๆ   คือ   ความดันที่คิดความดันบรรยากาศด้วย

                      3.  ค่าความดันที่คำนวณในสมการของก๊าซทุกสมการเป็นความดันสมบูรณ์ทั้งนั้น

หลักการคำนวณหาความดันหาจากมาโนมิเตอร์หรือหลอดตัวยู

      1. ให้หาผิวรอยต่อของของเหลว 2 ชนิดในหลอดตัวยูที่มีระดับต่ำที่สุด  แล้วกำหนดจุดในขาแต่ละข้างของหลอดที่อยู่ในแนวเดียวกันที่ระดับต่ำที่สุด

      2.ใช้หลักที่ว่าความดันของเหลวที่ระดับเดียวกันมีค่าเท่ากันคำนวณหาค่าที่ต้องการได้

แรงตึงผิว (Surface tension)

คือคุณสมบัติของพื้นผิวของของเหลว เป็นสิ่งทำให้เกิดบางส่วนของพื้นผิวของเหลวถูกดึงดูด (ยึดเข้าไว้ด้วยกัน) สู่พื้นผิวอื่น เช่น พื้นผิวของเหลวส่วนอื่น (การรวมตัวของหยดน้ำหรือหยดปรอทที่แกะกันเป็นลูกกลม) แรงตึงผิวถูกทำให้เกิดขึ้นด้วยการดึงดูด (การดึงดูดของโมเลกุลกับโมเลกุลที่เหมือนกัน) เมื่อโมเลกุลบนพื้นผิวของของเหลวไม่ได้ล้อมรอบไปด้วยโมเลกุลที่เหมือนกันในทุกๆด้านแล้ว โมเลกุลจะมีแรงดึงดูดกับโมเลกุลใกล้เคียงบนพื้นผิวมากขึ้น แรงตึงผิวมีมิติของแรงต่อความยาวหนึ่งหน่วย หรือของพลังงานต่อพื้นที่หนึ่งหน่วย ซึ่งทั้งสองมีค่าเท่ากัน แต่พลังงานต่อพื้นที่หนึ่งหน่วยอยู่ในพจน์พลังงานพื้นผิว ซึ่งเป็นพจน์ทั่วไปในนัยที่ใช้กับของแข็งไม่ค่อยใช้ในของเหลว ในวัสดุศาสตร์ แรงตึงผิวใช้อยู่ในความเค้นพื้นผิว (surface stress) หรือ พลังงานอิสระพื้นผิว (surface free energy)

ความตึงผิว คือ แรงต่อความยาวของผิวสัมผัส (ความพยายามในการยึดผิวของของเหลว)
แรงดึงผิวของของเหลว คือ  แรงที่เกิดขึ้นบริเวณที่ผิวของของเหลวสัมผัสกับของเหลวอื่นหรือกับผิวของแข็งโดยมีพลังงานเพียงพอต่อการยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล  ซึ่งมีขนาดสัมพันธ์กับแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่นทำให้เกิดเป็นลักษณะคล้ายๆ  กับแผ่นบางๆ ที่สามารถต้านแรงดึงได้เล็กน้อย มีทิศขนานกับผิวของเหลวและตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นความตึงผิวของเหลวจะมีค่าลดลง

ในของไหลทุกชนิดจะมีคุณสมบัติของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุล  2  ชนิด คือ

1. แรงเชื่อมแน่น (Cohesive force)  คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวชนิดเดียวกันแรงนี้สามารถรับความเค้นดึง  (tensile stress)   ได้เล็กน้อย

2. แรงยึดติด (Adhesive  force) คือแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของของเหลวกับสารชนิดอื่น  เช่น  น้ำกับแก้ว  ปรอทกับแก้ว  เป็นต้น

ปรากฏการณ์ของความตึงผิว

1.  การเกิดหยดของเหลว  (droplet) เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นกับของเหลวที่มีขนาดเล็กและอยู่อย่างอิสระ  เช่น  เม็ดของของเหลวในบรรยากาศ  หรือเม็ดของของเหลวที่เกิดจากหัวฉีดที่ฉีดของเหลวออกมาเป็นฝอยหรือละอองเล็กๆ  หรือเม็ดของของเหลวที่เกาะตามใบไม้  ซึ่งอิทธิพลของแรงตึงผิวจะพยายามปรับรูปร่างให้เม็ดของของเหลวมีลักษณะเป็นรูปทรงกลม  ทำให้แรงดันในหยดของเหลวมากขึ้น  เพื่อให้เกิดแรงต้านแรงตึงผิว  เป็นผลให้หยดของเหลวคงสภาพอยู่ได้อย่างสมดุล

2.  คาพิลลาริตี้ (capillarity) คือปรากฏการณ์ที่ของไหลที่สัมผัสกับวัตถุแล้วมีลักษณะสูงขึ้นหรือต่ำลง  เนื่องมาจากอิทธิพลของแรงยึดติดและแรงเชื่อมแน่น  เช่น  บริเวณที่น้ำสัมผัสกับผิวแก้ว จะมีระดับน้ำสูงขึ้นเล็กน้อย เพราะแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของน้ำกับโมเลกุลของแก้วมีมากกว่าแรงเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของน้ำ  แต่ถ้าเป็นบริเวณที่ปรอทสัมผัสกับผิวแก้ว  ระดับปรอทจะต่ำลงเล็กน้อย  เนื่องจากเชื่อมแน่นระหว่างโมเลกุลของปรอทมีมากกว่าแรงยึดติดระหว่างโมเลกุลของปรอทกับโมเลกุลของแก้ว

สูตรการคำนวณ เรื่อง แรงตึงผิว

แรงลอยตัว (Buoyant force)

ตัวอย่างการคำนวณ เรื่อง แรงลอยตัว