1. ما هو الهواء؟ وما هو الهواء العادي؟
ج: الغلاف الجوي المحيط بالأرض هو ما نسميه عادةً الهواء.
يُسمى الهواء عند ضغط محدد 0.1MPa ودرجة حرارة 20°C ورطوبة نسبية 36% بالهواء العادي. ويختلف الهواء العادي عن الهواء القياسي في درجة الحرارة، ويحتوي على بخار ماء. وعندما يوجد بخار ماء في الهواء، فإن فصل هذا البخار يؤدي إلى انخفاض حجم الهواء.
2. ما هو تعريف الحالة القياسية للهواء؟
ج: تُعرَّف الحالة القياسية بأنها حالة الهواء عند ضغط سحب 0.1MPa ودرجة حرارة 15.6°C (يُعرَّف في القطاع المحلي بأنه 0°C)، وتُسمى الحالة القياسية للهواء.
في الحالة القياسية تبلغ كثافة الهواء 1.185kg/m3 (يُشار إلى تدفق الطرد في الضواغط، وقدرة معدات المعالجة اللاحقة مثل مجففات التبريد والفلاتر، بمعدل التدفق في الحالة القياسية للهواء، وتُكتب الوحدة Nm3/min).
3. ما هو الهواء المشبع والهواء غير المشبع؟
ج: عند درجة حرارة وضغط معينين، يكون محتوى بخار الماء في الهواء الرطب (أي كثافة بخار الماء) محدودًا؛ وعندما يبلغ محتوى بخار الماء عند درجة حرارة معينة أقصى محتوى ممكن، يُسمى الهواء الرطب حينها هواءً مشبعًا. والهواء الرطب الذي لا يحتوي على أقصى كمية ممكنة من بخار الماء يُسمى هواءً غير مشبع.
4. تحت أي ظروف يتحول الهواء غير المشبع إلى هواء مشبع؟ وما هو التكاثف؟
في لحظة تحول الهواء غير المشبع إلى هواء مشبع يتكاثف بخار الماء في الهواء الرطب على شكل قطرات ماء سائلة، ويُسمى ذلك التكاثف. وظاهرة التكاثف شائعة: فمثلًا في الصيف مع ارتفاع رطوبة الهواء تتكون قطرات ماء على سطح أنابيب المياه؛ وفي صباح الشتاء تظهر قطرات ماء على زجاج نوافذ المنازل. وكل ذلك ناتج عن تكاثف الهواء الرطب بعد تبريده عند ضغط ثابت إلى نقطة الندى.
5. ما هو الضغط الجوي والضغط المطلق والضغط المقاس؟ وما وحدات الضغط الشائعة؟
ج: يُسمى الضغط الذي يمارسه الغلاف الجوي السميك المحيط بسطح الأرض على سطح الأرض أو الأجسام الموجودة عليه بالضغط الجوي، ورمزه Ρb؛ ويُسمى الضغط المؤثر مباشرة على سطح وعاء أو جسم بالضغط المطلق، وتُقاس قيمته من الفراغ المطلق، ورمزه Pa؛ أما الضغط المقاس بأجهزة مثل مقياس الضغط ومقياس التفريغ وأنبوب U فيُسمى الضغط المقاس، ويُقاس من الضغط الجوي، ورمزه Ρg. والعلاقة بين الثلاثة هي
العلاقة: Pa=Pb+Pg
الضغط هو القوة المؤثرة على وحدة المساحة، ووحدته N/متر مربع وتُكتب Pa وتسمى باسكال. ويُستخدم في الهندسة عادةً MPa (ميغاباسكال)
1MPa=10 مرفوعة للقوة السادسة Pa
1 ضغط جوي قياسي = 0.1013MPa
1kPa=1000Pa=0.01kgf/مربع
1MPa=10 مرفوعة للقوة السادسة Pa=10.2kgf/مربع
في النظام القديم للوحدات، كان الضغط يُعبَّر عنه عادةً بـ kgf/cm2 (كيلوغرام قوة/سنتيمتر مربع).
6. ما هي درجة الحرارة؟ وما وحدات الحرارة الشائعة؟
ج: درجة الحرارة هي المتوسط الإحصائي للحركة الحرارية لجزيئات المادة.
درجة الحرارة المطلقة: درجة حرارة تُقاس من الصفر عند أدنى درجة حرارة حدية تتوقف عندها حركة جزيئات الغاز، ويرمز لها بـ T، ووحدتها الكلفن ورمزها K.
درجة الحرارة المئوية: درجة حرارة تُقاس من نقطة انصهار الجليد، ووحدتها الدرجة المئوية ورمزها ℃. كما تُستخدم في البلدان الأنغلوسكسونية عادةً الدرجة الفهرنهايتية ورمزها F.
والعلاقة بين وحدات الحرارة الثلاث هي
T（K） = t（°C） + 273.16
المعادلة: t(F)=32+1.8t(℃)
7. ما هو الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء الرطب؟
ج: الهواء الرطب خليط من بخار الماء والهواء الجاف. وفي حجم معين من الهواء الرطب تكون كمية بخار الماء (بالكتلة) عادةً أقل بكثير من الهواء الجاف، لكنه يشغل الحجم نفسه وله درجة الحرارة نفسها. وضغط الهواء الرطب هو مجموع الضغوط الجزئية للغازات المكونة له (أي الهواء الجاف وبخار الماء). ويُسمى ضغط بخار الماء في الهواء الرطب بالضغط الجزئي لبخار الماء، ورمزه Pso. وتعكس قيمته مقدار بخار الماء في الهواء الرطب؛ فكلما زاد محتوى بخار الماء زاد الضغط الجزئي. ويُسمى الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء المشبع بالضغط الجزئي المشبع لبخار الماء، ورمزه Pab.
8. ما هي رطوبة الهواء؟ وكم نوعًا للرطوبة؟
ج: تُسمى الكمية الفيزيائية التي تعبّر عن درجة جفاف أو رطوبة الهواء بالرطوبة. ومن طرق التعبير الشائعة: الرطوبة المطلقة والرطوبة النسبية.
في الظروف القياسية، تُسمى كتلة بخار الماء الموجودة في 1 m3 من الهواء الرطب بالرطوبة المطلقة للهواء الرطب، ووحدتها g/m3. والرطوبة المطلقة تعبّر فقط عن كمية بخار الماء في وحدة الحجم من الهواء الرطب، ولا تعبّر عن قدرة الهواء الرطب على امتصاص بخار الماء، أي عن درجة رطوبته. والرطوبة المطلقة هي كثافة بخار الماء في الهواء الرطب.
تُسمى نسبة كمية بخار الماء الفعلية في الهواء الرطب إلى أقصى كمية ممكنة عند درجة الحرارة نفسها بالرطوبة النسبية، ويُرمز لها عادةً بـ φ. وتتراوح الرطوبة النسبية φ بين 0 و100%. فكلما صغرت قيمة φ كان الهواء أجف وقدرته على امتصاص الماء أقوى؛ وكلما كبرت قيمة φ كان الهواء أكثر رطوبة وقدرته على الامتصاص أضعف. وتتعلق قدرة الهواء الرطب على امتصاص الرطوبة أيضًا بدرجة حرارته. فمع ارتفاع درجة حرارة الهواء الرطب يزداد الضغط المشبع تبعًا لذلك. وإذا لم يتغير محتوى بخار الماء حينها، تنخفض الرطوبة النسبية φ، أي تزداد قدرة الهواء الرطب على امتصاص الرطوبة. لذلك ينبغي أثناء تركيب غرفة الضواغط مراعاة الحفاظ على التهوية وخفض الحرارة وتجنب تراكم الماء وسوء التصريف، لتقليل الماء في الهواء.
9. ما هو المحتوى الرطوبي؟ وكيف يُحسب؟
ج: تُسمى كتلة بخار الماء الموجودة في 1kg من الهواء الجاف داخل الهواء الرطب بالمحتوى الرطوبي للهواء الرطب، ويُرمز له عادةً بـ ω. والمحتوى الرطوبي ω يتناسب طرديًا تقريبًا مع الضغط الجزئي لبخار الماء Pso، وعكسيًا مع الضغط الكلي للهواء p. ويعبّر ω بدقة عن كمية بخار الماء في الهواء. وإذا كان الضغط الجوي ثابتًا عمومًا، فعند ثبات درجة حرارة الهواء الرطب يثبت Pso أيضًا. وعندها تزداد الرطوبة النسبية ويزداد المحتوى الرطوبي وتضعف قدرة الامتصاص.
10. على ماذا تعتمد كثافة بخار الماء في الهواء المشبع؟
ج: محتوى بخار الماء في الهواء (كثافة بخار الماء) محدود. وفي نطاق ضغط الهواء المضغوط (2MPa) يمكن اعتبار أن كثافة بخار الماء في الهواء المشبع تعتمد على درجة الحرارة فقط، ولا علاقة لها بضغط الهواء. فكلما ارتفعت درجة الحرارة زادت كثافة بخار الماء المشبع. فمثلًا عند 40°C، سواء كان الضغط 0.1MPa أو 1.0MPa، تكون كثافة بخار الماء المشبع في متر مكعب واحد من الهواء هي نفسها.
11. ما هو الهواء الرطب؟
ج: يُسمى الهواء الذي يحتوي على كمية معينة من بخار الماء بالهواء الرطب، ويُسمى الهواء الخالي من بخار الماء بالهواء الجاف. والهواء المحيط بنا كله هواء رطب. وعند ارتفاع معين عن سطح البحر، يكون تركيب الهواء الجاف ونسبه مستقرين أساسًا، وليس لهما معنى خاص في الخصائص الحرارية للهواء الرطب ككل. ومع أن محتوى بخار الماء في الهواء الرطب ليس كبيرًا، فإن تغيّر هذا المحتوى يؤثر تأثيرًا كبيرًا في الخواص الفيزيائية للهواء الرطب. وكمية بخار الماء تحدد درجة جفاف الهواء أو رطوبته. والهواء الرطب هو موضوع عمل الضاغط.
12. ما هي الحرارة؟
ج: الحرارة شكل من أشكال الطاقة. والوحدات الشائعة: KJ/(kg·℃) وcal/(kg·℃) وkcal/(kg·℃) وغيرها. 1kcal=4.186kJ، و1kJ=0.24kcal.
وفق قوانين الديناميكا الحرارية، تنتقل الحرارة تلقائيًا من الطرف الأعلى حرارة إلى الطرف الأدنى عبر الحمل والتوصيل والإشعاع. ودون بذل شغل خارجي، لا يمكن للحرارة أن تنتقل في الاتجاه المعاكس إطلاقًا.
13. ما هي الحرارة المحسوسة؟ وما هي الحرارة الكامنة؟
ج: في عملية التسخين أو التبريد، تُسمى الحرارة الممتصة أو المنبعثة عندما ترتفع درجة حرارة الجسم أو تنخفض دون تغيّر حالته الأصلية بالحرارة المحسوسة. وهي تُحدث تغيرًا محسوسًا في الإحساس بالبرودة والحرارة، ويمكن قياسها عادةً بميزان حرارة. فمثلًا الحرارة الممتصة عند تسخين الماء من 20°C إلى 80°C هي حرارة محسوسة.
وعندما يمتص الجسم حرارة أو يبعثها وتتغير حالته (مثل تحول الغاز إلى سائل……) مع بقاء درجة الحرارة ثابتة، تُسمى هذه الحرارة الممتصة أو المنبعثة بالحرارة الكامنة. ولا يمكن قياس الحرارة الكامنة بميزان حرارة ولا الإحساس بها، لكن يمكن حسابها تجريبيًا.
بعد أن يبعث الهواء المشبع حرارة، يتحول جزء من بخار الماء إلى ماء سائل، ولا تنخفض درجة حرارة الهواء المشبع حينها، وهذه الحرارة المنبعثة هي الحرارة الكامنة.
14. ما هو إنثالبي الهواء؟
ج: إنثالبي الهواء هو إجمالي الحرارة الموجودة في الهواء، ويُحسب عادةً على أساس وحدة الكتلة من الهواء الجاف. ويُرمز للإنثالبي بالرمز ι.
15. ما هي نقطة الندى؟ وبماذا ترتبط؟
ج: نقطة الندى هي درجة الحرارة التي يصل إليها الهواء غير المشبع عند تبريده مع بقاء الضغط الجزئي لبخار الماء ثابتًا (أي بقاء المحتوى المطلق للماء ثابتًا) حتى يصبح مشبعًا. وعند انخفاض الحرارة إلى نقطة الندى تتكاثف قطرات ماء في الهواء الرطب. ونقطة ندى الهواء الرطب لا ترتبط بدرجة الحرارة فحسب، بل بمحتوى الماء في الهواء الرطب أيضًا. فالمحتوى الأعلى يعني نقطة ندى أعلى، والمحتوى الأقل يعني نقطة ندى أقل. وعند درجة حرارة معينة للهواء الرطب، كلما ارتفعت نقطة الندى زاد الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء الرطب وزاد محتوى بخار الماء فيه. ولدرجة حرارة نقطة الندى استخدامات مهمة في هندسة الضواغط. فمثلًا، عندما تكون درجة حرارة مخرج الضاغط منخفضة جدًا، يتكاثف خليط الزيت والهواء بسبب انخفاض الحرارة في خزان الزيت والهواء، فيحتوي زيت التشحيم على ماء ويتأثر التشحيم. لذلك يجب أن يضمن تصميم درجة حرارة مخرج الضاغط ألا تقل عن نقطة الندى عند الضغط الجزئي المقابل.
