1. ما هو الهواء؟ وما هو الهواء العادي؟
الجواب: الغلاف الجوي المحيط بالأرض اعتدنا أن نسميه الهواء.
الهواء عند الضغط المحدد 0.1MPa ودرجة الحرارة 20°C والرطوبة النسبية 36% هو الهواء العادي. ويختلف الهواء العادي عن الهواء القياسي في الحرارة واحتوائه على الرطوبة. وعندما يوجد بخار ماء في الهواء، فبمجرد فصل بخار الماء يقل حجم الهواء.
2. ما تعريف الحالة القياسية للهواء؟
الجواب: تعريف الحالة القياسية هو: حالة الهواء عندما يكون ضغط سحب الهواء 0.1MPa ودرجة الحرارة 15.6°C (والتعريف المحلي في الصناعة 0°C) تُسمى الحالة القياسية للهواء.
في الحالة القياسية تكون كثافة الهواء 1.185kg/m3 (وتُحدَّد سعة طرد الضاغط والمجفف والمرشح وغيرها من معدات المعالجة اللاحقة بمعدل التدفق في الحالة القياسية للهواء، وتُكتب الوحدة Nm3/min).
3. ما هو الهواء المشبع والهواء غير المشبع؟
الجواب: عند درجة حرارة وضغط معيّنين يكون لمحتوى بخار الماء في الهواء الرطب (أي كثافة بخار الماء) حد معيّن؛ وعندما تبلغ كمية بخار الماء المحتواة في حرارة معيّنة أقصى محتوى ممكن، يُسمى الهواء الرطب عندئذٍ هواءً مشبعًا. والهواء الرطب الذي لا يحتوي أقصى محتوى ممكن من بخار الماء يُسمى هواءً غير مشبع.
4. في أي ظروف يتحول الهواء غير المشبع إلى هواء مشبع؟ وما هو «التكاثف»؟
في اللحظة التي يتحول فيها الهواء غير المشبع إلى هواء مشبع، تتكاثف قطرات ماء سائلة في الهواء الرطب، وهذا ما يُسمى «التكاثف». والتكاثف شائع، فمثلًا رطوبة الهواء في الصيف مرتفعة جدًا ويسهل تكوّن قطرات ماء على سطح أنبوب الماء. وفي صباح الشتاء تظهر قطرات ماء على نوافذ الزجاج في المنازل. وهذه كلها نتيجة تكاثف الهواء الرطب بعد تبريده عند ضغط ثابت حتى الوصول إلى نقطة الندى.
5. ما هي الضغط الجوي والضغط المطلق وضغط القياس؟ وما الوحدات الشائعة للضغط؟
الجواب: الضغط الذي تُحدثه طبقة الغلاف الجوي السميكة جدًا التي تحيط بسطح الأرض على سطح الأرض أو على الأجسام السطحية يُسمى «الضغط الجوي»، ورمزه Ρb؛ والضغط المؤثر مباشرةً على سطح الوعاء أو الجسم يُسمى «الضغط المطلق»، وقيمته تبدأ من الفراغ المطلق، ورمزه Pa؛ والضغط المقيس بأجهزة مثل مقاييس الضغط ومقاييس التفريغ وأنابيب U يُسمى «ضغط القياس»، ويبدأ «ضغط القياس» من الضغط الجوي، ورمزه Ρg. والعلاقة بين الثلاثة هي
العلاقة: Pa=Pb+Pg
الضغط هو القوة على وحدة المساحة، ووحدة الضغط N/مربع، ويُرمز لها Pa وتُسمى باسكال. وMPa (MPa) شائعة الاستخدام في الهندسة
1MPa=10 مرفوعة للأس 6 Pa
1 ضغط جوي قياسي = 0.1013MPa
1kPa=1000Pa=0.01kgf/مربع
1MPa=10 مرفوعة للأس 6 Pa=10.2kgf/مربع
في نظام الوحدات القديم يُعبَّر عن الضغط عادةً بوحدة kgf/cm2 (كيلوغرام قوة/سنتيمتر مربع).
6. ما هي الحرارة؟ وما وحدات الحرارة الشائعة الاستخدام؟
ج: الحرارة هي المتوسط الإحصائي للحركة الحرارية لجزيئات المادة.
الحرارة المطلقة: هي الحرارة التي تبدأ من أدنى حرارة حدية تتوقف عندها جزيئات الغاز عن الحركة، ويُرمز لها T. والوحدة «كلفن» ورمزها K.
الحرارة المئوية: هي الحرارة التي تبدأ من نقطة انصهار الجليد، والوحدة «درجة مئوية» ورمزها ℃. وإضافةً إلى ذلك، تستخدم الدول البريطانية والأمريكية غالبًا «حرارة فهرنهايت»، ورمز وحدتها F.
العلاقة التحويلية بين وحدات الحرارة الثلاث هي
أي: T (K) = t (°C) + 273.16
المعادلة: t(F)=32+1.8t(℃)
7. ما هو الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء الرطب؟
الجواب: الهواء الرطب خليط من بخار الماء والهواء الجاف. وفي حجم معيّن من الهواء الرطب تكون كمية بخار الماء (بالكتلة) عادةً أقل بكثير من كمية الهواء الجاف، لكنه يشغل الحجم نفسه الذي يشغله الهواء الجاف، وله الحرارة نفسها أيضًا. وضغط الهواء الرطب هو مجموع الضغوط الجزئية للغازات المكوّنة له (أي الهواء الجاف وبخار الماء). ويُسمى ضغط بخار الماء في الهواء الرطب الضغط الجزئي لبخار الماء، ويُرمز له Pso. وتعكس قيمته كمية بخار الماء في الهواء الرطب، فكلما زاد محتوى بخار الماء ارتفع ضغطه الجزئي. ويُسمى الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء المشبع الضغط الجزئي المشبع لبخار الماء، ويُرمز له Pab.
8. ما هي رطوبة الهواء؟ وكم مقدارها؟
الجواب: الكمية الفيزيائية التي تعبّر عن جفاف الهواء ورطوبته تُسمى الرطوبة. ومن تعبيرات الرطوبة الشائعة: الرطوبة المطلقة والرطوبة النسبية.
في الظروف القياسية، تُسمى كتلة بخار الماء المحتواة في الهواء الرطب في حجم 1 m3 «الرطوبة المطلقة» للهواء الرطب، ووحدتها g/m3. والرطوبة المطلقة تدل فقط على مقدار بخار الماء المحتوى في وحدة الحجم من الهواء الرطب، ولا تدل على قدرة الهواء الرطب على امتصاص بخار الماء، أي على درجة رطوبته. والرطوبة المطلقة هي كثافة بخار الماء في الهواء الرطب.
تُسمى نسبة كمية بخار الماء الفعلية المحتواة في الهواء الرطب إلى أقصى كمية ممكنة من بخار الماء عند الحرارة نفسها «الرطوبة النسبية»، ويُعبَّر عنها غالبًا بـ φ. وتكون الرطوبة النسبية φ بين 0 و100%. فكلما صغرت قيمة φ كان الهواء أجف وقدرته على امتصاص الماء أقوى؛ وكلما كبرت قيمة φ كان الهواء أرطب وقدرته على امتصاص الماء أضعف. وترتبط قدرة الهواء الرطب على امتصاص الرطوبة بحرارته أيضًا. فمع ارتفاع حرارة الهواء الرطب يرتفع ضغط التشبع تبعًا لذلك. وإذا بقي محتوى بخار الماء ثابتًا عندئذٍ، تنخفض الرطوبة النسبية φ للهواء الرطب، أي تزداد قدرة الهواء الرطب على امتصاص الرطوبة. لذلك ينبغي أثناء تركيب غرفة الضاغط الاهتمام بالحفاظ على التهوية وخفض الحرارة وعدم وجود تصريف وتراكم للماء في الغرفة لتقليل الرطوبة في الهواء.
9. ما هو محتوى الرطوبة؟ وكيف يُحسب محتوى الرطوبة؟
الجواب: في الهواء الرطب، تُسمى كتلة بخار الماء المحتواة في 1kg من الهواء الجاف «محتوى الرطوبة» في الهواء الرطب، وهو شائع الاستخدام. ويتبيّن أن محتوى الرطوبة ω يتناسب تقريبًا مع الضغط الجزئي لبخار الماء Pso، ويتناسب عكسيًا مع ضغط الهواء الكلي p. ويعكس ω بدقة كمية بخار الماء المحتواة في الهواء. وإذا كان الضغط الجوي ثابتًا عمومًا، فعندما تكون حرارة الهواء الرطب ثابتة يكون Pso ثابتًا أيضًا. وعندئذٍ تزداد الرطوبة النسبية ويزداد محتوى الرطوبة وتضعف قدرة امتصاص الرطوبة.
10. على ماذا تعتمد كثافة بخار الماء في الهواء المشبع؟
الجواب: محتوى بخار الماء (كثافة بخار الماء) في الهواء محدود. وفي نطاق الضغط الديناميكي الهوائي (2MPa) يمكن اعتبار أن كثافة بخار الماء في الهواء المشبع تعتمد على الحرارة فقط ولا علاقة لها بضغط الهواء. فكلما ارتفعت الحرارة زادت كثافة بخار الماء المشبع. فمثلًا عند 40°C يكون لمتر مكعب واحد من الهواء كثافة بخار ماء مشبع نفسها سواء كان ضغطه 0.1MPa أو 1.0MPa.
11. ما هو الهواء الرطب؟
الجواب: الهواء الذي يحتوي كمية معيّنة من بخار الماء يُسمى هواءً رطبًا، والهواء الخالي من بخار الماء يُسمى هواءً جافًا. والهواء المحيط بنا هواء رطب. وعند ارتفاع معيّن يكون تركيب الهواء الجاف ونسبه مستقرين أساسًا، وليس لهما أهمية خاصة في الأداء الحراري للهواء الرطب كله. فرغم أن محتوى بخار الماء في الهواء الرطب ليس كبيرًا، فإن تغيّر هذا المحتوى له تأثير كبير في الخصائص الفيزيائية للهواء الرطب. وكمية بخار الماء تحدد درجة جفاف الهواء ورطوبته. والموضوع الذي يعمل عليه الضاغط هو الهواء الرطب.
12. ما هي الحرارة؟
الجواب: الحرارة شكل من أشكال الطاقة. والوحدات الشائعة: KJ/(kg·℃)، cal/(kg·℃)، kcal/(kg·℃) وغيرها. 1kcal=4.186kJ، 1kJ=0.24kcal.
وفق قوانين الديناميكا الحرارية، يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيًا من الطرف المرتفع الحرارة إلى الطرف المنخفض الحرارة عبر الحمل والتوصيل والإشعاع وغيرها من الأشكال. وفي غياب استهلاك طاقة خارجية، لا يمكن للحرارة أن تنعكس أبدًا.
13. ما هي الحرارة المحسوسة؟ وما هي الحرارة الكامنة؟
الجواب: في عملية التسخين أو التبريد، تُسمى الحرارة التي يمتصها الجسم أو يطلقها عندما ترتفع حرارته أو تنخفض دون تغيّر حالته الطورية الأصلية الحرارة المحسوسة. وهي تُحدث لدى الإنسان تغيّرًا واضحًا في الإحساس بالبرودة والحرارة، ويمكن قياسها عادةً بمقياس حرارة. فمثلًا الحرارة التي يمتصها الماء عند رفع حرارته من 20°C إلى 80°C تُسمى حرارة محسوسة.
وعندما يمتص الجسم حرارة أو يطلقها تتغيّر حالته الطورية (مثل تحوّل الغاز إلى سائل…)، لكن الحرارة لا تتغيّر. وهذه الحرارة الممتصة أو المطلقة تُسمى الحرارة الكامنة. والحرارة الكامنة لا يمكن قياسها بمقياس حرارة ولا يشعر بها جسم الإنسان، لكن يمكن حسابها تجريبيًا.
بعد أن يطلق الهواء المشبع حرارة، يتحول جزء من بخار الماء طوريًا إلى ماء سائل، ولا تنخفض حرارة الهواء المشبع عندئذٍ، وهذا الجزء من الحرارة المطلقة هو الحرارة الكامنة.
14. ما هي إنثالبي الهواء؟
الجواب: إنثالبي الهواء هو مجموع الحرارة المحتواة في الهواء، ويُحسب عادةً على أساس وحدة الكتلة من الهواء الجاف. ويُرمز للإنثالبي بالرمز ι.
15. ما هي نقطة الندى؟ وبماذا ترتبط؟
الجواب: نقطة الندى هي الحرارة التي يخفض عندها الهواء غير المشبع حرارته مع إبقاء الضغط الجزئي لبخار الماء ثابتًا (أي إبقاء المحتوى المطلق للماء ثابتًا) حتى يبلغ التشبع. وعندما تنخفض الحرارة إلى نقطة الندى تترسّب قطرات ماء متكاثفة في الهواء الرطب. ونقطة ندى الهواء الرطب لا ترتبط بالحرارة فحسب، بل ترتبط أيضًا بكمية الرطوبة في الهواء الرطب. فنقطة الندى تكون مرتفعة عند ارتفاع محتوى الماء، ومنخفضة عند انخفاضه. وعند حرارة معيّنة للهواء الرطب، كلما ارتفعت حرارة نقطة الندى كبر الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء الرطب، وكبر محتوى بخار الماء فيه. ولحرارة نقطة الندى استخدام مهم في هندسة الضواغط. فمثلًا عندما تكون حرارة مخرج الضاغط منخفضة جدًا، يتكاثف خليط الزيت والهواء بسبب انخفاض الحرارة في أسطوانة الزيت والهواء، فيحتوي زيت التزييت على الماء ويتأثر أثر التزييت. لذلك يجب تصميم حرارة مخرج الضاغط بحيث لا تقل عن حرارة نقطة الندى عند الضغط الجزئي المقابل.
