الوحدات الهندسية

نظرة عامة على وحدات القياس المستخدمة في حلقة البخار والمكثف بما في ذلك درجة الحرارة والضغط والكثافة والحجم والحرارة والعمل والطاقة.

في جميع الصناعات الهندسية، تم اقتراح واستخدام العديد من التعريفات والوحدات المختلفة للخصائص الميكانيكية والحرارية.

المشاكل التي تسببت فيها أدى إلى تطوير نظام دولي متفق عليه من الوحدات (أو وحدات SI: Système International d’Unités). في نظام SI هناك سبع وحدات أساسية محددة جيدًا يمكن اشتقاق وحدات الخصائص الأخرى منها، وستُستخدم في جميع أنحاء هذا المنشور.

وحدات SI الأساسية تشمل الطول (بالمتر)، والكتلة (بالكيلوجرام)، والزمن (بالثانية) ودرجة الحرارة (بالكلفن). الأولى الثلاثة لا تحتاج hopefully إلى مزيد من الشرح، بينما سيتم مناقشة الأخيرة بمزيد من التفصيل لاحقًا.

وحدات SI الأساسية الأخرى هي التيار الكهربائي (بالأمبير)، وكمية المادة (بالمول)، وشدة الإضاءة (بالكانديلا). قد تكون مألوفة للقراء ذوي الخلفية في الإلكترونيات والكيمياء والفيزياء على التوالي، لكنها لا صلة لها بهندسة البخار ولا بمحتويات حلقة البخار والمكثف.

يُظهر الجدول 2.1.1 الوحدات المشتقة ذات الصلة بهذا الموضوع، والتي يجب أن تكون جميعها مألوفة لأي شخص لديه خلفية هندسية عامة. تم تخصيص كميات خاصة لجميع هذه الكميات بأسماء مشهورة بعد رواد بارزين في تطوير العلم والهندسة.

الجدول 2.1.1 الكميات المسماة في وحدات SI المشتقة.

هناك العديد من الكميات الأخرى التي تم اشتقاقها من وحدات SI الأساسية، والتي ستكون أيضًا ذات أهمية لأي شخص متورط في هندسة البخار. هذه مقدمة في الجدول 2.1.2.

الجدول 2.1.2 كميات أخرى في وحدات SI المشتقة

المضاعفات والوحدات الفرعية

يعطي الجدول 2.1.3 بادئات SI المستخدمة لتكوين مضاعفات عشرية ووحدات فرعية من وحدات SI. تسمح بتجنب القيم العددية الكبيرة جدًا أو الصغيرة جدًا. ترتبط البادئة مباشرة باسم الوحدة، ويرتبط رمز البادئة مباشرة برمز الوحدة.

باختصار: يمكن تمثيل ألف متر واحد كـ 1 كم، أو 1 000 م أو 10³ م.

الجدول 2.1.3 المضاعفات والوحدات الفرعية المستخدمة مع وحدات SI

اختصارات خاصة تُستخدم في تطبيقات قياس تدفق البخار

لأسباب تاريخية، يستخدم المعيار الدولي ISO 5167 (الذي يحل محل BS 1042) الذي يشير إلى قياس التدفق، الاختصارات التالية في الجدول 2.1.4.

الجدول 2.1.4 الرموز المستخدمة في تطبيقات قياس التدفق

STP - درجة الحرارة والضغط القياسيين

هذه هي الظروف القياسية لقياس خصائص المادة. درجة الحرارة القياسية هي نقطة تجمد الماء النقي، 0 درجة مئوية أو 273.16 كلفن. الضغط القياسي هو الضغط الذي يُمارسه عمود من الزئبق (الرمز Hg) بارتفاع 760 مم، ويُشار إليه غالبًا بـ 760 مم زئبق. يُسمى هذا الضغط أيضًا جوًا واحدًا ويُعادل 1.01325 × 106 داين لكل سنتيمتر مربع، أو حوالي 14.7 رطل لكل بوصة مربع. تُذكر كثافة الغاز (الكتلة لكل حجم) عادةً كقيمتها عند الظروف القياسية. الخصائص التي لا يمكن قياسها عند الظروف القياسية تُقاس تحت ظروف أخرى؛ عادةً ما يتم استقراء القيم المُتحصل عليها رياضيًا إلى قيمها عند الظروف القياسية.

الرموز

يُظهر الجدول 2.1.5 الرموز والوحدات النموذجية المستخدمة في حلقة البخار والمكثف.

الجدول 2.1.5 الرموز ووحدات القياس المستخدمة في حلقة البخار والمكثف

الدوال الفرعية المستخدمة مع الخصائص

عند استخدام الثالوث والإنتروبيا والطاقة الداخلية، تُستخدم الدوال الفرعية الموضحة أدناه لتحديد الطور، على سبيل المثال:

• الدالة الفرعية f = حالة السائل، على سبيل المثال hf: ثالوث السائل
• الدالة الفرعية fg = تغيير الحالة من سائل إلى غاز، على سبيل المثال hfg: ثالوث التبخر
• الدالة الفرعية g = الإجمالي، على سبيل المثال hg: الثالوث الكلي لاحظ أنه، بموجب الاصطلاح، يُشار إلى إجمالي الحرارة في البخار المُسخّن الزائد بـ h. من المعتاد أيضًا، بموجب الاصطلاح، الإشارة إلى كميات العينة بحروف كبيرة، بينما تُشار إلى كميات الوحدة بحروف صغيرة. على سبيل المثال: إجمالي الثالوث في عينة من البخار المُسخّن الزائد H kJ الثالوث الخاص للبخار المُسخّن الزائد h kJ/kg

درجة الحرارة

يُستخدم مقياس درجة الحرارة كمؤشر للتوازن الحراري، بمعنى أن أي نظامين على اتصال مع بعضهما البعض بنفس القيمة يكونان في حالة توازن حراري. مقياس سيلسيوس (°C) هذا هو الم尺度 الأكثر استخدامًا من قبل المهندس، حيث لديه درجة حرارة صفر مناسبة (لكن تعسفية)، تتوافق مع درجة حرارة تجمد الماء. المقياس المطلق أو K (كلفن) هذا الم尺度 له نفس الزيادات كمقياس سيلسيوس، لكن لديه صفر يتوافق مع أقل درجة حرارة ممكنة عندما يتوقف كل حركة جزيئية وذرية. تُشار إلى درجة الحرارة هذه غالبًا بالصفر المطلق (0 K) ومعادلة -273.16 درجة مئوية.

مقياسا الحرارة قابلان للتبادل، كما هو موضح في الشكل 2.1.1 ومعبر عنه في المعادلة 2.1.1.

وحدة SI لدرجة الحرارة هي الكلفن، والتي تُعرّف كـ 1 ÷ 273.16 من درجة الحرارة الديناميكية للماء النقي عند نقطة الثلاثية (0.01 درجة مئوية). يُقدم شرح للنقطة الثلاثية في الوحدة 2.2. معظم المعادلات الديناميكية الحرارية تتطلب التعبير عن درجة الحرارة بالكلفن. ومع ذلك، يمكن التعبير عن فرق درجة الحرارة، كما هو مستخدم في العديد من حسابات نقل الحرارة، إما بالدرجة المئوية أو بالكلفن. بما أن كلا المقياسين لهما نفس الزيادات، فإن فرق درجة حرارة 1 درجة مئوية له نفس القيمة كفرق درجة حرارة 1 كلفن.

الضغط

وحدة SI للضغط هي الباسكال (Pa)، المُعرّف كـ 1 نيوتن من القوة لكل متر مربع (1 N/m²).

نظرًا لأن Pa وحدة صغيرة جدًا، فإن kPa (1 كيلونيوتن/m²) أو MPa (1 ميجانيوتن/m²) تميل إلى أن تكون أكثر ملاءمة لهندسة البخار. ومع ذلك، فإن الوحدة المترية الأكثر استخدامًا لقياس الضغط في هندسة البخار هي البار. هذا يساوي 105N/m²، ويقارب 1 جو. تُستخدم هذه الوحدة في جميع أنحاء هذا المنشور. تشمل الوحدات الأخرى المستخدمة غالبًا lb/in² (psi)، وkg/cm²، وatm، وin H2O وmm Hg. عوامل التحويل متاحة بسهولة من مصادر عديدة.

الضغط المطلق (بار مطلق) هذا هو الضغط المقاس من أساس الفراغ المثالي أي أن الفراغ المثالي له ضغط 0 بار مطلق. ضغط الغلاف (بار غلاف) هذا هو الضغط المقاس من أساس الضغط الجوي. على الرغم من أن الضغط الجوي في الواقع يعتمد على المناخ والارتفاع فوق مستوى سلام البحر، غالبًا ما تُستخدم قيمة مقبولة عمومًا وهي 1.013 25 بار مطلق (1 جو). هذا هو الضغط المتوسط الذي تُمارسه أرض الغلاف الجوي عند مستوى سلام البحر. ضغط الغلاف = الضغط المطلق - الضغط الجوي الضغوط أعلى من الضغط الجوي ستعطي دائمًا ضغط غلاف إيجابي. بالعكس، فإن الفراغ أو الضغط السالب هو الضغط أقل من ذلك الجوي. يتوافق ضغط -1 بار غلاف ارتباطًا وثيقًا مع الفراغ المثالي. فرق الضغط هذا ببساطة الفرق بين ضغطين. عند تحديد فرق الضغط، ليس من الضروري استخدام اللاحقة ‘g’ أو ‘a’ للإشارة إلى ضغط الغلاف أو الضغط المطلق على التوالي، حيث يصبح نقطة أساس الضغط غير ذات صلة. لذلك، فإن الفرق بين ضغطين سيكون له نفس القيمة سواء تم قياس هذين الضغطين بضغط الغلاف أو الضغط المطلق، طالما تم قياس الضغطين من نفس الأساس. الكثافة والحجم الخاص يمكن تعريف كثافة (ρ) لمادة على أنها كتلتها (m) لكل وحدة حجم (V). الحجم الخاص (vg) هو الحجم لكل وحدة كتلة وهو لذلك معكوس الكثافة. في الواقع، يُستخدم مصطلح ‘خاص’ عمومًا للإشارة إلى خاصية وحدة كتلة من مادة (انظر المعادلة 2.1.2).

وحدات SI للكثافة (ρ) هي kg/m³، على العكس، وحدات الحجم الخاص (vg) هي m³/kg.

مصطلح آخر يُستخدم كمقياس للكثافة هو الجاذبية النوعية. هي نسبة كثافة مادة (ρs) إلى كثافة الماء النقي (ρw) عند درجة الحرارة والضغط القياسيين (STP). تُعرّف هذه الحالة المرجعية عادةً بأنها عند الضغط الجوي و0 درجة مئوية. أحيانًا يُقال أنها عند 20 درجة مئوية أو 25 درجة مئوية وتُسمى درجة الحرارة والضغط العاديين (NTP).

كثافة الماء عند هذه الظروف حوالي 1 000 kg/m³. لذلك فإن المواد ذات الكثافة الأكبر من هذه القيمة سيكون لها جاذبية نوعية أكبر من 1، بينما المواد ذات الكثافة الأقل من هذا سيكون لها جاذبية نوعية أقل من 1.

بما أن الجاذبية النوعية هي نسبة كثافتين، فهي متغير بلا وحدة وليس له وحدات. لذلك في هذه الحالة لا يشير مصطلح ‘خاص’ إلى أنه خاصية وحدة كتلة من مادة. تُعرف الجاذبية النوعية أحيانًا أيضًا بالكثافة النسبية لمادة. الحرارة والعمل والطاقة أحيانًا يُوصف العمل بأنه القدرة على إنجاز عمل. نقل الطاقة عن طريق الحركة الميكانيكية يُسمى عمل. وحدة SI للعمل والطاقة هي الجول، المُعرّف كـ 1 نيوتن متر. يمكن تحديد كمية العمل الميكانيكي المنجز بمعادلة اشتققت من الميكانيكا النيوتونية: العمل = القوة × الإزاحة يمكن أيضًا وصفه كحاصل الضغط المطبق والحجم المُزاح: العمل = الضغط المطبق × الحجم المُزاح مثال 2.1.1 ضغط مطبق قدره 1 باسكال (أو 1 نيوتن/m²) يُزاح حجمًا قدره 1 m³. كم عمل تم إنجازه؟ العمل المنجز = 1 نيوتن/m² × 1 m³ = 1 نيوتن متر (أو 1 جول) فوائد استخدام وحدات SI، كما في المثال أعلاه، هي أن الوحدات في المعادلة تُلغي نفسها فعليًا لإعطاء وحدات الحاصل. أثبتت الملاحظات التجريبية لج. ب. جول أن هناك تكافؤًا بين الطاقة الميكانيكية (أو العمل) والحرارة. وجد أن نفس كمية الطاقة كانت مطلوبة لإنتاج نفس الارتفاع في درجة الحرارة في كتلة محددة من الماء، بغض النظر عما إذا كانت الطاقة مُقدمة كحرارة أو عمل. تتكون الطاقة الكلية للنظام من الطاقة الداخلية والطاقة الكامنة والطاقة الحركية. درجة حرارة المادة مرتبطة مباشرة بطاقتها الداخلية (ug). ترتبط الطاقة الداخلية بحركة الجزيئات وتفاعلها وارتباطها داخل المادة. الطاقة الخارجية للمادة مرتبطة بسرعتها وموقعها، وهي مجموع طاقتها الكامنة والحركية. نقل الطاقة كنتيجة لفرق درجة الحرارة وحده يُسمى تدفق الحرارة. الواط، وهو وحدة SI للقدرة، يمكن تعريفه كـ 1 J/s من تدفق الحرارة. وحدات أخرى تُستخدم لتحديد كمية طاقة الحرارة هي الوحدة الحرارية البريطانية (Btu: كمية الحرارة لرفع 1 رطل من الماء بمقدار 1 درجة فهرنهايت) والكيلو كالوري (كمية الحرارة لرفع 1 كجم من الماء بمقدار 1 درجة مئوية). عوامل التحويل متاحة بسهولة من مصادر عديدة. الثالوث الخاص هذا هو المصطلح المعطى للطاقة الكلية، بسبب كل من الضغط ودرجة الحرارة، لسائل (مثل الماء أو البخار) في أي وقت وحالة معينين. بشكل أكثر تحديدًا هو مجموع الطاقة الداخلية والعمل المنجز بالضغط المطبق (كما في المثال 2.1.1). وحدة القياس الأساسية هي الجول (J). بما أن الجول يمثل كمية صغيرة جدًا من الطاقة، من المعتاد استخدام كيلوجول (kJ = 1 000 جول). الثالوث الخاص هو مقياس للطاقة الكلية لوحدة كتلة، ووحداته عادةً kJ/kg. السعة الحرارية النوعية ثالوث السائل هو دالة لدرجة حرارته وضغطه. يمكن العثور على اعتماد الثالوث على درجة الحرارة عن طريق قياس الارتفاع في درجة الحرارة الناتج عن تدفق الحرارة عند ضغط ثابت. سعة الحرارة عند ضغط ثابت cP، هي مقياس لتغيير الثالوث عند درجة حرارة معينة. بالمثل، الطاقة الداخلية هي دالة لدرجة الحرارة والحجم النوعي. سعة الحرارة عند حجم ثابت cv، هي مقياس لتغيير الطاقة الداخلية عند درجة حرارة معينة وحجم ثابت. لأن الأحجام النوعية للصلبات والسوائل أصغر عمومًا، إلا إذا كان الضغط مرتفعًا للغاية، يمكن إهمال العمل المنجز بالضغط المطبق. لذلك، إذا كان يمكن تمثيل الثالوث بمكون الطاقة الداخلية وحده، فيمكن القول إن سعات الحرارة عند حجم ثابت وضغط ثابت متساويان. لذلك، بالنسبة للصلبات والسوائل: cP ≈ cv تبسيط آخر للصلبات والسوائل يفترض أنها غير قابلة للانضغاط، بحيث يكون حجمها دالة لدرجة الحرارة فقط. هذا يعني أنه بالنسبة للسوائل غير القابلة للانضغاط، يكون الثالوث وسعة الحرارة أيضًا دالات لدرجة الحرارة فقط. تمثل السعة الحرارية النوعية كمية الطاقة اللازمة لرفع 1 كجم بمقدار 1 درجة مئوية، ويمكن التفكير فيها على أنها قدرة مادة على امتصاص الحرارة. لذلك فإن وحدات SI للسعة الحرارية النوعية هي kJ/kg K (kJ/kg درجة مئوية). للماء سعة حرارية نوعية كبيرة (4.19 kJ/kg درجة مئوية) مقارنة بالعديد من السوائل، ولهذا يُعتبر كل من الماء والبخار حاملين جيدين للحرارة. يمكن تحديد كمية طاقة الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة مادة من المعادلة 2.1.4.

تُظهر هذه المعادلة أنه بالنسبة لكمية محددة من المادة، يكون ارتفاع درجة الحرارة مرتبطًا خطياً بكمية الحرارة المُقدمة، بشرط أن تكون السعة الحرارية النوعية ثابتة عبر ذلك النطاق الحراري. مثال 2.1.2 لنأخذ كمية من الماء بحجم 2 لتر، مرفوعة من درجة حرارة 20 إلى 70 درجة مئوية. عند الضغط الجوي، كثافة الماء حوالي 1 000 kg/m³. بما أن هناك 1 000 لتر في 1 m³، يمكن التعبير عن الكثافة كـ 1 كجم لكل لتر (1 kg/l). لذلك كتلة الماء هي 2 كجم. يمكن أخذ السعة الحرارية النوعية للماء كـ 4.19 kJ/kg درجة مئوية عبر نطاقات منخفضة من درجة الحرارة. لذلك: Q = 2 كجم × 4.19 kJ/kg درجة مئوية × (70 - 20) درجة مئوية = 419 كيلوجول إذا تم تبريد الماء بعد ذلك إلى درجة حرارته الأصلية 20 درجة مئوية، فإنه سيطلق أيضًا هذه الكمية من الطاقة في تطبيق التبريد. الإنتروبيا (S) الإنتروبيا هي مقياس لدرجة عدم النظام داخل نظام. كلما زادت درجة عدم النظام، زادت الإنتروبيا. وحدات SI للإنتروبيا هي kJ/kg K (kJ/kg درجة مئوية). في الصلبة، ترتبط جزيئات المادة معًا في تركيب شبكي منظم. مع تغير المادة من صلبة إلى سائلة، أو من سائلة إلى غازية، يصبح ترتيب الجزيئات أكثر فوضوية حيث تبدأ في الحركة بحرية أكبر. لأي مادة معينة تكون الإنتروبيا في الطور الغازي أكبر من الطور السائل، والإنتروبيا في الطور السائل أكبر من الطور الصلب. أحد خصائص جميع العمليات الطبيعية أو التلقائية أنها تسير نحو حالة التوازن. يمكن رؤية هذا في القانون الثاني للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أن الحرارة لا يمكن أن تنتقل من جسم أبرد إلى جسم أدفأ. تسبب تغيير في إنتروبيا النظام بتغيير في محتواه الحراري، حيث يكون تغيير الإنتروبيا مساويًا لتغيير الحرارة مقسومًا على درجة الحرارة المطلقة المتوسطة، المعادلة 2.1.5.

عند إجراء حسابات الكتلة الوحدوية، تُكتب رموز الإنتروبيا والثالوث بحروف صغيرة، المعادلة 2.1.6.

لنظر في هذا بمزيد من التفصيل، لنأخذ الأمثلة التالية: مثال 2.1.3 ترفع عملية 1 كجم من الماء من 0 إلى 100 درجة مئوية (273 إلى 373 كلفن) تحت الظروف الجوية. الثالوث الخاص عند 0 درجة مئوية (hf) = 0 kJ/kg (من جداول البخار) ثالوث الماء الخاص عند 100 درجة مئوية (hf) = 419 kJ/kg (من جداول البخار) احسب التغيير في الإنتروبيا النوعية بما أن هذا تغيير في إنتروبيا الماء النوعية، يأخذ الرمز ‘s’ في المعادلة 2.1.6 اللاحقة ‘f’ ليصبح sf.

مثال 2.1.4 تحول عملية 1 كجم من الماء عند 100 درجة مئوية (373 كلفن) إلى بخار مشبع عند 100 درجة مئوية (373 كلفن) تحت الظروف الجوية. احسب التغيير في الإنتروبيا النوعية للتبخر بما أن هذه الإنتروبيا involved في تغيير الطور، يأخذ الرمز ‘s’ في المعادلة 2.1.6 اللاحقة ‘fg’ ليصبح sfg. ثالوث التبخر الخاص لبخار عند 100 درجة مئوية (373 كلفن) (hfg) = 2 258 kJ/kg (من جداول البخار) ثالوث التبخر الخاص لماء عند 100 درجة مئوية (373 كلفن) (hfg) = 0 kJ/kg (من جداول البخار)

إجمالي التغيير في الإنتروبيا النوعية من الماء عند 0 درجة مئوية إلى البخار المشبع عند 100 درجة مئوية هو مجموع التغيير في إنتروبيا الماء النوعية، زائد التغيير في إنتروبيا البخار النوعية، ويأخذ اللاحقة ‘g’ ليصبح إجمالي التغيير في الإنتروبيا النوعية sg.

لذلك

مثال 2.1.5 تسخن عملية 1 كجم من البخار المشبع عند الضغط الجوي الزائد إلى 150 درجة مئوية (423 كلفن). حدد التغيير في الإنتروبيا.

بما أن إنتروبيا الماء المشبع تُقاس من أساس 0.01 درجة مئوية، يمكن أخذ إنتروبيا الماء عند 0 درجة مئوية، لأغراض عملية، كصفر. إجمالي التغيير في الإنتروبيا النوعية في هذا المثال يعتمد على درجة حرارة ماء أولية 0 درجة مئوية، وبالتالي فإن النتيجة النهائية تتفق كثيرًا مع الإنتروبيا النوعية للبخار التي ستُلاحظ في جداول البخار عند الحالة النهائية للبخار عند الضغط الجوي و150 درجة مئوية.

تتم مناقشة الإنتروبيا بمزيد من التفصيل في الوحدة 2.15، الإنتروبيا - فهم أساسي، وفي الوحدة 2.16، الإنتروبيا - استخدامها العملي.